梳齿式微加速度计闭环系统性能的分析与优化

为定量研究梳齿式微加速度计闭环系统的性能和参数设计准则，通过静平衡方程得到闭环系统输出公式，由此公式推导出灵敏度、最大预载、最佳预载、量程、稳定性、线性度、分辨率等公式。分析了机械和电气参数变化对性能的影响，根据性能指标提出参数的优化准则和设计公式。     

高g值压阻式微加速度计设计

利用加速度计的机械变形导致电阻的变化,设计了一种测量高g值的加速度计。在CoventorWare软件下建立了加速度计的加工工艺流程和实体模型。利用压阻分析模块MemPZR,采用FEM分析方法,通过改变压阻块在悬臂梁上的位置,得到压阻块位置与器件输出电流之间的关系,找到了压阻块在悬臂梁上的最优放置位置。改变压阻块的电导率,验证了器件的灵敏度变化与压阻率变化的趋势是一致的。在20 kg加速度的输入下,得到了压阻块应力的分布,以及电流的大小及分布,和悬臂梁的应力大小及分布,验证了加速度计的抗过载能力。     

一种梳齿力平衡式微加速度计

讨论了一种多梳齿力平衡式微机械加速度计表头系统工作原理。因加速度计制造中存在的间距不对称,提出通过调节正负反馈电压比的方法来减小输出非线性误差,并得到了调节的约束关系式。通过体硅深宽比刻蚀和微键合工艺制造了加速度计并进行了封装,闭环电路实验测试得到在未修正系数前,加速度计在量程为-60～65 g时最大非线性误差为-0.8%,修正后满量程最大非线性误差为0.08%。试验结果与理论分析能很好地吻合,验证了方法的有效性。     

梳齿式微加速度计优化设计与仿真分析

给出了多学科层级优化算法模型,对梳齿式微加速度计的结构参数进行了优化设计,对优化前后的梳齿式微加速度计进行了有限元仿真分析.优化设计结果表明,微加速度计的工作性能有明显提高.有限元仿真分析结果验证了多学科层级设计优化方法的有效性.     

闭环电容式微加速度计全差分CMOS接口电路

提出了一种用于电容式微加速度计的低噪声、高线性度全差分接口电路.基于开关电容检测技术,该电路采用一种新的双路反馈结构来提高系统线性度,并采用2 μm n阱CMOS工艺完成芯片设计.仿真结果证明,电路中采用的双路反馈和全差分检测结构使系统的线性度达到0.01%.加入经过优化设计的比例-微分-积分控制器后,有效减小了系统稳...     

低热机械噪声的梳齿式加速度计

文中介绍了一种基于低噪声梳齿变面积型加速度计.采用体硅加工工艺,利用SOI材料30 μm顶层硅制造垂直梳齿,梳齿数目达200对,提高了初始电容,能够充分利用尺寸空间,获得具有低噪特性的加速度计.该种形式的加速度计不需要真空封装,也不需要制作阻尼孔就能满足低噪声要求.器件采用三层材料,利用硅-玻璃键合和BCB键合实现,能够有效提高成品率,并给出了成功流片后得到的SEM照片.最后,对器件进行了频谱响应曲线的测试,测试得到器件在非真空封装及无阻尼孔情况下Q值高达156.95.测试结果表明该器件的设计简化了制造工艺,降低了成本,同时得到提高了Q值,能够降低热机械噪声.     

谐振式微机械加速度计测试平台

针对谐振式微机械加速度计输出数字频率信号的特点,基于TMS320VC5509A DSP处理核心与FPGA设计出一种可同时检测九路数字频率信号并具有较高精度的硬件单元,利用接入灵活、传输速率快的USB总线,结合SQLserver2000数据库构建起主要针对谐振式微机械加速度计的测试平台。主要阐述了前端频率测试方法、DSP应用系统设计及PC软件框架。整套系统对谐振式微加速度计产品的生产开发、质量检测有重要的现实意义。     

用零相位的方法检测微加速度计的谐振频率

介绍了谐振式微加速度计的工作原理。针对已设计好的谐振器样片结构,分析了微加速度计的驱动和检测原理。结合锁相环可以实现无相差的频率跟踪,提出了采用零相位差的方法来实现驱动信号动态跟踪谐振器的谐振频率,最后采用锁相环CD4046进行了硬件电路的设计。     

姿态参照系统中硅微机械加速度计的温度补偿

微机械加速度计的输出受到环境温度的影响.文中以姿态参照系统为例,通过温度实验,得到了姿态参照系统中的微机械加速度计在不同温度下的输出,通过数据拟合建立了静态温度模型,对加速度计的零偏和标度因子进行了补偿.在姿态参照系统中对该温度补偿模型进行试验,结果表明得到的模型可以有效地补偿系统中的微机械加速度计的温度误差.使加速度计随温度变化的稳态输出变化的数量级由10-3减小到10-4.该温度补偿方法也适用于其他MEMS惯性测量系统中的微机械加速度计的温度补偿.     

力反馈式微机械加速度计刚度的自适应调整

为了提高模拟力平衡式电容微机械加速度计的鲁棒性和分辨率,对系统的非线性进行了研究。通过分析系统的数学模型,认为力发生器的非线性会引入一个可变负刚度。在传统方案中,为保证加速度计满量程时总刚度大于0,预载电压要小于失稳预载的0.707,这就造成在加速度输入较小时其总刚度较大,从而影响其阈值以及小输入时的分辨率。为弥补传统方案中力矩器非线性对系统分辨力的影响,本文应用自适应理论,提出一种基于总刚度不变的变预载自适应调整方法来提高闭环系统的鲁棒性和分辨率。设计了一种基于DSP的数字式微机械加速度计并进行了试验。试验结果表明,采用自适应调整方案后,加速度计在0g附近的分辨率由43.2μg提高到11.3μg,1g附近的分辨率由36.4μg提高到12.1μg,这些数据验证了自适应调整方案对系统性能的改进。     

碰摩微转子系统非线性动力特性研究

微型旋转机械是MEMS（micro—electro—mechanical system）中的主要驱动之一，微转子作为系统的主要驱动部件，其动力学特性直接影响整个系统的稳定性和可靠性。文中以Jeffcott微转子系统为研究对象，建立微转子系统的碰摩力学模型和系动微分方程，应用现代非线性和转子动力学理论，以偏心量为分岔参数分析微转子碰摩时的振动响应与非线性动力特性，并以实验结果讨论偏心量对微转子系统动力特性的影响。     

MEMS可靠性与失效分析

主要探讨目前微电子机械系统（micro-electro-mechanicalsystem,MEMS）中采用的分别以费用和以失效分析,质量保证为主的两种可靠性分析方法,并介绍其他相关的分析方法;对国内外广泛运用的众多失效分析基本单元结构进行详细分析;叙述MEMS中各种不同的失效模式、失效机理、失效分析应用范围及采取的相应措施;并就MEMS可能出现的失效模式提出相关的微分析技术,为MEMS提供可靠性保障。有利于MEMS的可靠性设计。     

静电微电机及其可靠性分析

自1987年首台静电微电机诞生以来，微电子机械系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)的研究和开发已取得突破性进展。对静电微电机的可靠性研究现状进行综述，介绍静电微电机主要结构元件呈现的失效模式和机理，以及摩擦、磨损、粘附等特性对微电机运行稳定性的影响，从不同角度探讨减少微电机失效的问题，介绍各种测试方法、检测仪器、润滑抗粘附材料和解决方案，并对相关领域的工作进展进行总结和展望。     

大气环境下多晶硅薄膜的疲劳性能

为评估多晶硅薄膜材料的加载可靠性,发展一种新型多晶硅薄膜疲劳性能测试实验系统,利用片外测试方法研究多晶硅薄膜在大气环境下的拉伸疲劳特性.实验试件采用MEMS(micro-electro-mechanical systems)工艺制造,具有相同的长度、厚度和不同的宽度.每个加载条件下重复10次实验,应用Weibull方法对疲劳实验数据进行处理,得到0.35 GPa～0.70 GPa应力幅值范围内5个应力水平下多晶硅薄膜拉伸疲劳的S-N曲线.研究表明,多晶硅薄膜的疲劳寿命随着交变载荷幅值的减小而增大,二者呈对数线性关系.该结果可以直接用于多晶硅薄膜材料MEMS器件的可靠性设计.     

基于等效电路法的微加速度计系统建模研究

讨论一类硅微闭环电容式加速度计系统级动态模型的建模过程与方法.MEMS（micro-electro-mechanical system）快速有效的系统级模拟依赖于准确简洁的器件宏模型的建立.文中首先针对一种基本机电换能器件进行研究,利用二元函数的Taylor公式,建立器件偏置点附近增量信号间的线性关系,进而建立可用等效电路形式描述的器件宏模型.以此为基础,分别探讨传感器中检测和加力两类差动电容模型的建立方法及其与外部环境的联接,得到可利用电路模拟软件进行分析的系统级等效电路.通过仿真实例验证模型的正确性,并简要讨论系统的主要动态特性.这些工作为进一步的系统仿真和全局优化提供可靠的模型基础.     

人—车闭环操纵性评价与优化的研究进展

汽车的操纵稳定性与驾驶员的特性密切相关,研究汽车的操纵稳定性应该把车辆放在人-车闭环系统中进行分析。以作者及其带领的课题组的研究成果为基础,系统介绍了国内外在人-车闭环领域的研究进展,包括驾驶模拟器、驾驶员模型、人-车闭环操纵性的评价体系以及利用人-车闭环评价体系对车辆参数进行优化设计。     

MEMS材料力学性能的测试方法

介绍国内外MEMS(micro-electro-mechanical system)材料力学性能的测试方法,包括纳米压痕法、薄膜打压法、梁弯曲试验、微拉曼光谱法、单轴拉伸法等.分析各种测试方法的优缺点、基本原理和最新进展.详细介绍单轴拉伸试验方法的试验原理、特点及发展现状, 在此基础上介绍作者们在MEMS材料单轴拉伸试验方面的阶段性研究成果,包括单轴拉伸试样设计、夹具设计、加载方法及应变测量技术等.试样和夹具的设计采用有限元方法模拟不同形状参数试样的拉伸试验过程,确定试样的外形和尺寸.应变测量采用的是激光干涉应变计法(interference strain /displacement gauge, ISDG),并用所研制的微小试样拉伸试验机,成功测得多晶铜薄膜材料的应力-应变曲线.     

利用波形比较法进行高量程加速度传感器横向响应的测试研究

提出一种高量程加速度传感器横向响应的测试方法--波形可识别的比较法,对高量程加速度传感器非敏感方向(横向)的输出特性进行测试研究.实验中采用自由落杆的方法,将已经标定过的传感器和带测试的传感器以背对背的方式进行安装,通过同时比较监控两通道的输出波形,可以确定器件的横向灵敏度.此方法简单可靠,并容易实施,对测试中产生的误差进行分析.     

基于谐振原理的微机械疲劳试验装置的研究

设计出一种基于梳状驱动器原理的静电力驱动的微机械疲劳试验装置，该装置可由典型的表面牺牲层标准工艺制作。对所设计的MEMS（micro-electro-mechanical system）疲劳试验装置中的圆弧梳状驱动器的电容及静电驱动力进行理论分析，并采用ANSYS机电耦合单元对装置的振动过程进行模拟，模拟结果与理论分析相吻合。研究结果表明在一定范围交流电压的驱动下试样能达到MEMS疲劳测试所要求的应力水平，并对该电压范围进行预测。