薄膜体声波谐振器应力负载效应摄动分析

薄膜体声波谐振器(FBAR)力学传感器有很大的应用潜力,但其敏感机理——应力负载效应尚不能被准确描述。为准确描述应力负载效应,预测FBAR力学传感器的频率灵敏度,提出一种摄动与有限元联合求解方法,并利用该方法计算FBAR微加速度计的频率-加速度灵敏度。首先,在COMSOL有限元软件中计算FBAR微加速度计在加速度下其压电层AlN的平均偏置应力;接着,在COMSOL中计算单个FBAR的谐振频率与相应的振型;最后,将有限元的计算数据和AlN的材料常数代入摄动积分公式中,得到FBAR微加速度计的频率-加速度灵敏度约为–98.879 kHz/g,与文献报道的实验结果–100 kHz/g相吻合,验证方法的可行性。     

新型谐振式硅微机械加速度计

制作出一种新型结构的谐振式硅微加速度计，其输出频率信号可以克服微机电系统器件输出微弱信号检测的困难、采用双端固定音叉作为谐振器，在加速度作用下，质量块的惯性力通过悬臂梁施加于音叉轴向，利用音叉谐振频率的变化测量加速度．在每个音叉臂上制作了梳齿结构，用梳齿间的静电力激励音叉产生谐振，并利用其构成的电容检测其振动频率．该加速度计采用体硅工艺制作，文中给出了工艺流程、用有限元方法仿真估算，得到传感器的灵敏度约为2／gHz．     

硅微陀螺仪闭环校正控制系统设计

为了提高硅微陀螺仪的精度,对硅微陀螺仪的闭环校正控制系统进行了研究.首先,推导了简化的开环系统传递函数,分析表明为了防止谐振峰值的出现,相对频差δf必须小于等于1/(2Qy).其次,利用反馈力矩器的负刚度效应,消除两模态的相对频差,提高系统的机械灵敏度.最后,在无频差情况下,设计一个带有无源阻抗网络的比例-积分-微分(proportion-integration-differentiation,PID)校正环节,校正后系统的相角裕度为52°,幅值裕度为18dB,闭环带宽为931 rad/s,实现了闭环系统校正.仿真和实验表明闭环校正电路是可行的.相对于开环检测,闭环校正系统的量程增加了1.6倍,标度因数非线性减小了45.6倍,零偏稳定性提高了2.56倍.同时,标度因数对称性、标度因数重复性、阈值和分辨率等性能都得到较大改善.     

悬丝支撑加速度计标度因数温度系数补偿方法研究

温度是影响加速度计标度因数的最主要因素,标度因数的温度系数是评价标度因数随温度变化的程度.本文根据悬丝支撑的摆式加速度计工作原理,分析了温度变化对标度因数的影响,同时给出了标度因数温度系数的补偿原理和方法,并通过试验进行了验证.     

一种用于复杂环境下的高精度微型谐振式压力传感器北大核心CSCD

微谐振式压力传感器因其体积小、精度高等特点而被广泛研究,本文基于谐振器在不同压力载荷下侧向振动时其等效刚度随轴向应力的改变而变化的原理,设计了一种静电激励/电容检测的谐振式压力传感器。本设计采用的谐振器结构与现有研究不同,通过在谐振梁的两边设计了两根侧梁用于抑制谐振器的Z向位移,提高了传感器的稳定性,并且双面梳齿结构和复合温敏梁可进一步优化传感器检测灵敏度等性能。在ANSYS WORKBENCH仿真平台下对其进行分析与验证,结果表明:侧梁可有效地抑制谐振器的Z向位移,在0~100 MPa范围内谐振器具有良好的正向应力特性;传感器基础谐振频率为29.834 kHz,在0~120 kPa范围内灵敏度可达29.6Hz/kPa,且最大过压1.5×FS时仍具备频率稳定性,这表明该传感器可应用于对灵敏度、抗过压等性能有更高要求的复杂环境中。     

光纤陀螺的温度特性分析及其建模研究

本文首次从光纤陀螺(IFOG)零偏的温度可重复性、不同IFOG的零偏随温度变化的差异性、温度梯度对IFOG零偏的影响、缓慢温度变化对IFOG零偏和标度因数的影响等方面对IFOG的温度特性进行了全面的实验研究,并首次利用小波分析建立了IFOG零偏和标度因数随温度变化的实时补偿模型.     

一种用于复杂环境下的高精度微型谐振式压力传感器

微谐振式压力传感器因其体积小、精度高等特点而被广泛研究,本文基于谐振器在不同压力载荷下侧向振动时其等效刚度随轴向应力的改变而变化的原理,设计了一种静电激励/电容检测的谐振式压力传感器。本设计采用的谐振器结构与现有研究不同,通过在谐振梁的两边设计了两根侧梁用于抑制谐振器的Z向位移,提高了传感器的稳定性,并且双面梳齿结构和复合温敏梁可进一步优化传感器检测灵敏度等性能。在ANSYS WORKBENCH仿真平台下对其进行分析与验证,结果表明:侧梁可有效地抑制谐振器的Z向位移,在0～100 MPa范围内谐振器具有良好的正向应力特性;传感器基础谐振频率为29.834 kHz,在0～120 kPa范围内灵敏度可达29.6Hz/kPa,且最大过压1.5×FS时仍具备频率稳定性,这表明该传感器可应用于对灵敏度、抗过压等性能有更高要求的复杂环境中。     

光纤陀螺标度因数与零偏测试及评价方法研究

为对舰船航姿测量系统应用背景下不同型号干涉型光纤陀螺(IFOG)的性能优劣做出准确评价,在[-35°/s,35°/s]角速度范围和100 Hz数据采样频率下,对两种型号的IFOG进行标度因数和零偏测试,并对其参数测试和性能评价方法进行研究。结果表明:在[-35°/s,35°/s]角速度范围内,B-215型IFOG的标度因数非线性度(剔除±20°/s奇异角速度点)优于KVH-13型,且两种IFOG在该范围内的标度因数非线性度均大于其在全量程范围内的标度因数非线性度;在100 Hz采样频率下,KVH-13型IFOG的零偏稳定性优于B-215型,且B-215型IFOG在该频率下的零偏稳定性优于其在2 000 Hz下的零偏稳定性。该测试方法可得出在特定测量范围和采样频率下IFOG的性能参数,有助于提高不同型号IFOG产品的可比性,为实际应用中IFOG的选型提供依据。     

分立标定中捷联惯导标定参数间的关联性影响

光学捷联惯导误差随时间积累,分立式标定作为一种误差补偿技术,是提高惯导精度的必要手段。惯导标定参数主要有标度因数、安装偏角、零偏,文章在阐述IMU标定原理的基础上,推导了标定过程中参数误差的传播途径,理论分析了标定参数之间的关联性影响,得到以下结果:零偏重复性误差对标度因数和安装偏角的标定无影响;标度因数非线性和重复性误差对安装偏角和零偏的标定无影响;零偏稳定性误差对标定因数和安装偏角的标定有影响;陀螺的角度随机游走对陀螺三个标定参数均有影响;加速度计的随机噪声对加速度计的三个标定参数均有影响;陀螺的标度因数不对称性对陀螺的安装偏角和零偏的标定有影响;安装偏角重复性误差对陀螺的零偏标定有影响而对标度因数标度无影响,对加速度计的标度因数和零偏的标定无影响。结论对于惯导系统性能评估、误差分配和器件设备选型具有重要意义。     

压阻式硅微二维加速度计的加工与测试

提出了一种压阻式的硅微二维加速度计,该加速度计采用4个相互垂直的悬臂梁支撑中间有刚硬柱体的结构,利用合理布置的压敏电阻构成的惠斯通电桥测量水平面内两个方向的加速度．结合微结构的力学分析模型以及压阻原理分析了加速度计的灵敏特性、采用硅微机械加工工艺完成了加速度计的加工,应用微系统分析仪、激光拉曼光谱应力测试仪以及振动台分别对加工出的微结构形貌、残余应力、频响以及灵敏特性进行了相关测试．测试结果表明,两个方向的输出值均灵敏度高、线形度较好,胸灵敏度为1、0174mV／g（g为重力加速度）,线性系数为0．99991,y向灵敏度为0．89761mV／g,线性系数为0．99945．微加速度计的频响曲线较为平坦,其共振频率大约为670Hz．     

A resonant accelerometer with two-stage microleverage mechanisms fabricated by SOI-MEMS technology

We present the design, fabrication, and testing of a push-pull differential resonant accelerometer with double-ended-tuning-fork (DETF) as the inertial force sensor. The accelerometer is fabricated with the silicon-on-insulator microelectromechanical systems (MEMS) technology that bridges surface micromachining and bulk micromachining by integrating the 50-/spl mu/m-thick high-aspect ratio MEMS structure with the standard circuit foundry process. Two DETF resonators serve as the force sensor measuring the acceleration through a frequency shift caused by the inertial force acting as axial loading. Two-stage microleverage mechanisms with an amplification factor of 80 are designed for force amplification to increase the overall sensitivity to 160 Hz/g, which is confirmed by the experimental value of 158 Hz/g. Trans-resistance amplifiers are designed and integrated on the same chip for output signal amplification and processing. The 50-/spl mu/m thickness of the high-aspect ratio MEMS structure has no effect on the amplification factor of the mechanism but contributes to a greater capacitance force; therefore, the resonator can be actuated by a much lower ac voltage comparing to the 2-/spl mu/m-thick DETF resonators. The testing results agree with the designed sensitivity for static acceleration.     

PDC-SiBCN陶瓷基无线无源温度传感器的性能EI北大核心CSCD

以耐高温聚合物先驱体陶瓷(PDC-SiBCN)为温敏介质材料,金属铂作为谐振腔材料,并在陶瓷表面开槽形成共面天线,制备出集开槽天线与谐振器一体的无线无源温度传感器,实现温度信息的无线无源传输。结果表明:传感器的谐振频率随测试温度的升高呈单调递减变化,PDC-SiBCN陶瓷的介电常数随温度的升高而单调增加,其中热解温度为1000℃的传感器测试温度达1100℃,具有优异的耐高温性和介温特性。同一测试温度下传感器的谐振频率随直径的增大而减小,也随热解温度的升高而降低。通过对传感器的谐振频率-温度拟合曲线进行一阶偏导得到灵敏度方程,传感器在1100℃的高温下有较高的灵敏度。传感器具有良好的循环稳定性能,在室温下实际无线传输距离达到42 mm,当测试温度为1100℃时传输距离可达8 mm,可应用于高温恶劣环境下航空发动机的温度监控。     

用于气体检测的热激励MEMS悬臂梁谐振器

笔者设计了一种电热激励压阻检测的微悬臂梁谐振器．悬臂梁上的敏感层吸附特定的气体后,可以通过测量质量变化所导致的悬臂梁谐振频率的变化而得出待测气体的浓度．该谐振器的加工基于SOI硅片和ICP刻蚀技术．通过有限元仿真得出了悬臂梁的应力温度分布曲线,从而证实了该方案可以提供比普通结构更适宜于气体敏感材料工作的温度分布．从理论和实验上分析了谐振器在不同激励电压下的频率响应．实验结果表明,该谐振器具有较高的谐振频率和品质因数,其激励电压与振动幅值成线性关系．     

基于微型杠杆结构谐振式差分微加速度传感器的理论建模

为了提高灵敏度和消除交叉轴串扰,提出了一种包括有效的微型杠杆结构的谐振式差分微加速度传感器,分析了该结构差分检测和消除交叉轴干扰的原理．推导了该设计的理论模型,包括结构建模和轴向力作用下谐振微梁的固有频率偏移的推导,得到了待测加速度与输出固有频率偏移的关系．使用有限元模拟来证实理论模型．模拟结果说明,该设计的灵敏度每重力加速度g高于4kHz．探讨了具体结构参数的选取与输出频差的关系,说明通过调整微型杠杆的尺寸可以进一步提高本设计的灵敏度．     

一种谐振式MEMS压力传感器单芯片级真空封装和低应力组装方法

为提高谐振式MEMS压力传感器的品质因数,且同时降低温度漂移,设计了一种传感器的单芯片级真空封装和低应力组装方法,选用非光敏苯并环丁烯（BCB）材料在真空加热、加压条件下实现PYREX7740玻璃空腔与传感器芯片的黏合键合,在可伐合金管座上加工出与传感器尺寸相匹配的方形空腔,实现传感器芯片的低应力组装．实验结果表明：传感器具有较高的品质因数（9455）,检测范围为500—1100hPa,灵敏度为9．6Hz／,hPa,满量程最大非线性度为0．08％,-40℃-50℃内温度系数为0．9Hz／℃,温度总漂移为传感器满量程变化的1．3％,传感器在开机加电稳定后长时漂移为0．086％F．S．     

Stress stability and thermo-mechanical properties of reactively sputtered alumina films

The stability of residual stress inherent on deposition in reactively sputtered alumina films is studied during thermal cycling and annealing, simulating temperature excursions experienced by the films during device fabrication and subsequent operation. Increasing the magnitude of substrate bias applied during deposition acts to reduce the amount of argon incorporated in the films; more incorporated argon corresponds to smaller values of modulus and hardness and a larger coefficient of thermal expansion (CTE). Large, irreversible changes in film stress develop on heating, acting to decrease the compressive residual stress of films deposited on silicon substrates to a smaller, equilibrium value, whereas films deposited on Al₂O₃-TiC substrates behave differently. Thermal cycling and annealing have little effect on the modulus and CTE, but the hardness increases significantly and the threshold load for indentation crack initiation decreases precipitously during heat treatment. Possible mechanisms of irreversible stress development and mechanical property modifications are discussed.     

水泥-沥青胶凝材料动态力学行为的初步研究

研究了不同沥青含量（A/C）的水泥-沥青复合胶凝材料7d龄期的动态黏弹性力学行为。选择3种温度环境（？25℃、25℃和75℃）,采用动态黏弹谱仪测试了3种不同A/C的水泥-沥青胶凝材料（简称为CAB）在频率范围0.1Hz~100Hz的动态力学性能,获得了不同温度下储存模量、损耗模量及损耗角随加载频率变化的基本规律。基于...     

一种基于光纤F-P腔的石墨烯谐振式压力传感器

谐振式传感器具有良好的重复性、分辨率和稳定性,全光纤谐振式微型传感器则集合了微纳结构与光纤传感特性两者的优点。石墨烯作为近年来发现的一种新型材料,具有良好的热学和力学特性,可以作为谐振式传感器中的敏感元件。本文提出了一种基于光纤F-P结构的石墨烯谐振式压力传感器,其兼具微机械传感器和光纤谐振器的优点,具有较高的谐振频率,在测量压力的实验中展现出良好的性能,压力灵敏度最高可达2. 93Hz/Pa,具有重要的应用价值。