高gn值微加速度计的设计

设计了一种新型四梁压阻式MEMS高gn(gn=9.8m/s2)值加速度计,其量程为0~150 000gn,抗冲击200 000gn,横向灵敏度小于6%。根据设计指标及强度条件对结构参数进行了优化设计,并进行应力分析、抗冲击分析、横向效应分析以及灵敏度分析。同时,利用有限元分析软件,对模型进行了静态应力分析和模态分析,给出了具体的分析结果,并与理论值加以比较,从而使该高gn值加速度计的结构分析和设计更加合理。     

高g值压阻加速度计动态特性与阻尼的关系研究

为了避免高g值压阻加速度计在工作过程中出现结构易损坏、响应信号精准度低的问题,需要在设计过程中合理调整阻尼参数。基于高g值传感器固有频率高、上升时间短两个特性,通过建模仿真从时域和频域两方面分析了阻尼对传感器动态响应特性的影响。得出阻尼比范围在0.10～0.25时高g值压阻加速度计动态特性较好,并通过实验验证了仿真分析的正确性,为设计过程中阻尼参数的调整提供了重要依据。     

基于微梁的面内高g值加速度计设计

提出了一种基于微梁的面内高g值加速度计的设计方案。根据材料力学中悬臂梁的相关理论,建立了微梁检测结构的等效模型,推导出了微梁应力和中间主梁应力的比值的表达式。通过改变结构的尺寸来调节比值,可以设计出更高量程和更高灵敏度的压阻式传感器。利用ANSYS软件对微梁和中间主梁的最大应力及电阻区应力进行了仿真分析,验证了设计方案的可行性。完成了一种量程可达15万gn的面内双轴高g值传感器的设计。     

基于圆片级阳极键合封装的高g_n值压阻式微加速度计

设计了一种适合于高gn值压阻式微加速度计圆片级封装的结构,解决了芯片制造工艺过程中电极通道建立、焊盘保护、精确划片等关键技术。采用玻璃—硅—玻璃三层阳极键合的方式进行圆片级封装,较好地解决了芯片密封性、小型化和批量化等生产难题。在4 in生产线上制作的高gn值压阻式微加速度计样品,尺寸仅为1 mm×1 mm×0.8 mm;对传感器进行的校准与抗冲击性能测试,结果表明:样品具备105gn的抗冲击能力、0.15μV/gn/V的灵敏度以及200 kHz的谐振频率。     

基于FBG的新型加速度计研究

设计了一种新型的差动式光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)加速度计,论述了其传感结构的设计原理、理论分析和有限元仿真。文中设计的主梁与微梁相结合的差动结构形式,克服了传统悬臂梁结构FBG加速度计存在的固有频率与灵敏度相互制约的矛盾,提高了固有频率和灵敏度。同时,为了解决单悬臂梁结构加速度计存在的温度补偿问题,设计了差动式光学检测系统,使该加速度计的灵敏度较传统单悬臂梁结构提高了一倍。理论分析结果表明,该加速度计灵敏度可达到52.7pm/gn,固有频率250Hz。实验结果表明,该结构提高了加速度计的灵敏度,有效解决了FBG加速度计应变和温度交叉敏感问题,实验结果与仿真数据具有很好的一致性。     

基于介观压阻效应的硅微加速度计研究

为了突破传统机电转换局限,提高加速度计灵敏度,提出以介观压阻效应为工作原理制作高灵敏度的硅微加速度计,基于这种原理设计并制备了GaAs基加速度计,通过理论分析计算与试验测试,得出该结构在0.1 gn输入下的输出,并对介观压阻灵敏度和压阻灵敏度的量级作出了比较,验证了采用介观压阻效应制作高灵敏度传感器的可行性,为此类加速度计的设计提供参考.     

静电刚度式谐振微加速度计设计

运用梁的横向振动特性分析了梁振动频率与平行板电容形成的静电刚度的关系,并以此设计了静电刚度式谐振微加速度计。在加速度作用下,检测质量产生的惯性力使电容器极板发生位移来改变电容结构的间隙大小,从而使谐振频率发生变化,通过检测频率变化量来测量输入加速度的大小。根据加速度计的工作原理说明检测过程中梁的机械刚度保持不变,只与产生静电刚度的电容间隙变化相关,减小了检测信号对机械误差与残余应力的依赖性。运用加工参数进行理论计算得出加速度计的灵敏度为21．17Hz／gn,在CoventorWare2005中进行仿真表明：加速度计的固有频率为23．94kHz,灵敏度约为20Hz／gn,与理论设计值相近。     

三梁-质量块敏感结构高性能压阻式碰撞加速度计

研究了一种主要应用于碰撞测试领域的硅微机械高性能压阻式加速度计,量程范围为2 000 gn.为满足技术性能要求,加速度计采用一种三梁-质量块结合梳齿阻尼器的新颖结构,从而可以同时具有高灵敏度及高动态特性(包括高谐振频率及精确阻尼控制).这种加速度计采用n型(100)普通硅片制作,主要工艺过程包括双面ICP深刻蚀和压阻集成工艺.振动台测试结果表明,加速度计的灵敏度为0.11 mV/gn/5 V,谐振频率为31 kHz,灵敏度±5%变化下平坦带宽大于5 kHz.采用落杆测试法测试了加速度计的冲击响应及0～2 000 gn满量程范围内的非线性度.封装后的加速度计承受15 000 gn的冲击测试后没有受到损坏.     

压阻式高量程微加速度计的冲击校准

采用体硅微机械加工技术和扩散技术,制作压阻式高量程微加速度计,设计量程为50000gn。芯片材料为单晶硅,采用双列扁平陶瓷封装。为了测量其动态灵敏度,使用Hopkinson杆在约40000gn的加速度水平下进行了冲击校准。在电桥电压为6.33V的情况下,被测微加速度计的灵敏度为1.26μV/gn。     

GaAs基PHEMT加速度传感器的研究

PHEMT结构一种高电子迁移率晶体管,以其高频和低噪声等方面的优越性,成为当今微电子领域中最活跃的研究主题之一。将其良好的力敏特性应用在加速度计方面更是成为前沿的研究方向。基于GaAs基PHEMT结构压阻效应,设计加工出一种悬臂梁式微加速度传感器,通过力作用在加速度计上,改变PHEMT结构漏极电流的输出,并通过外围测试电路来检测该电流变化,从而实现力电转换。文中,对其基本原理和结构设计进行阐述,并进行力学特性的研究。结果表明,在动态测试下,PHEMT结构的漏极输出电流与栅压、漏压之间的关系与静态测试I-V特性曲线保持一致。该加速度计具有良好的线性特性,经过测试在饱和区灵敏度为0.177 mV/gn。     

ANSYS在光纤Bragg光栅加速度计设计中的应用

采用ANSYS软件,通过对光纤Bragg光栅加速度计的动态特性分析,进行了结构优化,并计算了优化结构的灵敏度和固有频率。参照有限元理论分析,进行光纤光栅加速度计的实验研究,获得了加速度计的灵敏度和固有频率。实验结果与理论值具有较好的一致性,说明利用有限元软件ANSYS对光纤Bragg光栅加速度计进行辅助设计是有效的手段之一。     

挠性加速度计石英摆片的微运动仿真分析

加速度计石英摆片的微运动仿真分析可以获取帮助提高石英挠性加速度计生产质量的技术手段和途径。从加速度计石英摆片的物理模型入手,用有限元方法对摆式加速度计的关键部件石英摆片进行静力计算与模态分析,直观地显示了石英摆片结构的应力场与形变场,获得了各阶自然频率和阵型。结果表明：采用有限元分析的方法能够辅助提高加速计的性能。     

直升机尾传动轴系的非线性刚度参数辨识方法

提出了基于测试数据来识别尾传动轴系非线性刚度参数的方法。首先,对尾传动轴系进行低幅值激励下的模态测试,并建立尾传动轴系的简化模型,与试验结果对比验证模型的准确性。然后,对尾传动轴系开展不同激励水平下的步进正弦扫频测试,基于测试频响函数得到固有频率随位移幅值的变化关系。对建立的尾传动轴系简化模型进行有限元迭代计算,可以识别出固有频率随等效刚度的变化关系。最终建立起尾传动轴系等效刚度与位移幅值的关系,识别出尾传动轴系的非线性刚度参数。     

变截面Z型折叠机翼振动特性的有限元与实验分析

Z型变截面折叠机翼作为一种可变体机翼结构,不同的折叠角对机翼稳定性有着重要的影响,因此研究不同折叠角度下的特性参数对机翼动态稳定性有着重要的意义.本文首先设计加工了Z型变截面可折叠机翼结构的实验模型,通过建立与实验模型相匹配的有限元模型,仿真得到不同折叠角度下机翼的前5阶固有频率和振型,针对不同折叠角度下机翼的固有特性,通过扫频实验得到机翼前5阶固有频率和模态振型,以及横向外激励作用下三段翼的频响曲线,对比分析有限元仿真与实验结果,验证结果的可靠性,这将对机翼结构设计以及特性参数的选取提供参考依据.     

体硅加工的压电式微加速度计的设计

提出并设计了一种采用体硅微制造工艺制造的压电式微加速度计,其中体硅加工的硅质量块由悬臂梁支撑且悬臂梁部分区域沉积ZnO压电薄膜.通过对压电悬臂梁建立一维解析模型,研究了影响加速度计灵敏度的结构因素.在此基础上,利用有限元方法软件ANSYS设计了实际的微加速度计,并对六种不同的微加速度计结构进行了分析,得到了不同结构微加速度计的工作频率范围及灵敏度结果.     

Calculating capacitance and analyzing nonlinearity of micro-accelerometers by Schwarz–Christoffel mapping

Designing micro-accelerometers requires the calculation of their capacitance. An analytical method based on the Schwarz–Christoffel mapping is proposed for the calculation of the capacitance of two types of micro-accelerometer, which enables the fringe effect to be taken into account. The two types of micro-accelerometer consist of four identical asymmetric comb-capacitors that produce a differential capacitance. For the micro-accelerometer without a handle layer under the comb-capacitor, only a single unit needs solving because the asymmetric comb-capacitor is composed of identical units. The analytical formula for the asymmetric comb-capacitor is verified by the three-dimensional finite element method. Through finite element method, the analytical formula is also extended to include asymmetric comb-capacitors of silicon-on-glass micro-accelerometers. A comparison between theoretical and experimental results from silicon-on-glass micro-accelerometers indicates the validity of the analytical formula. Based on the analytical formula, the nonlinearity of the micro-accelerometers is studied, which indicates that the high ratio between the wide and narrow gap distances can increase the linearity of micro-accelerometers.     

一种基于谐振音叉的新型差动式硅微加速度计设计与分析

为提高谐振式加速度计灵敏度、稳定性以及减小加速度计体积,本文提出一种结构新颖的谐振式硅微加速度计。采用一级微杠杆机构对质量块惯性力进行放大,通过一对差动布置的双端固支音叉谐振器的固有频率变化检测惯性力,从而实现对加速度的测量。该加速度计可采用体硅加工工艺,给出了总体工艺流程。采用解析和有限元分析方法对加速度计敏感元件进行了分析,有限元分析结果与解析分析结果相吻合,有限元分析可得加速度计灵敏度为57.4 Hz/gn。分析结果表明该加速度计结构具有高灵敏度、高温度稳定性和小体积等优点。     

压电加速度计的幅值非线性度研究

长期研究分析压电加速度计冲击试验的大量测试数据 ,找出了一个描述压电加速度计幅值非线性度的数学公式 ,并根据该公式可推算出压电加速度计量程内的任一加速度时的电荷灵敏度 ,该方法较用最小二乘法计算的幅值非线性度方便、简单 ,且更符合压电加速度计的真实特性     

高冲击加速度传感器频响窄脉冲标定测试技术

针对高冲击加速度传感器的频响计量测试问题,设计了一种可实现冲击加速度传感器频响窄脉宽标定系统。该系统采用Hopkinson杆为试验装置,以激光多普勒测速仪作为基准信号测量装置,基于窄脉冲频响计量测试原理,采用汉宁窗和三次插值方法对信号进行处理,基于LabVIEW和MATLAB开发环境编写数据处理程序,实现对被校MEMS冲击传感器频响的快速解算。试验结果表明,该系统能够快速解算出高冲击加速度传感器的幅频特性函数,对传感器工作频带的估计误差低于10%。该系统避免了不同窄脉冲激励条件下,对基准信号和加速度传感器输出信号进行处理的复杂流程,采用适于常规输入信号的信号处理方法,提升了约20%频响测试效率,实现了对加速度传感器频响的快速标定测试。     

石英挠性加速度计表头力矩器噪声模型研究

石英挠性加速度计的内部力矩器噪声对于高精度的加速度计应用系统的影响是不可忽视的,但很少引起高度重视.针对高精度加速度计电路应用需要,研究了力矩器机械热噪声和力矩器线圈谐振的影响,建立了表头内部力矩器噪声电路模型,设计了测试电路,并对噪声电路模型进行了测试与验证.理论和实验结果均表明:机械热噪声产生的等效加速度对系统影响较小,力矩器线圈影响的谐振与驱动方式及驱动频率有关,脉宽调制(PWM)波驱动方式较正弦波驱动方式产生的谐振影响更大,当驱动频率靠近谐振点时,产生毫安(mA)级的谐振电流.模型的建立对石英挠性加速度计应用具有较好的参考价值.