基于单一敏感质量的三轴电容加速度计的设计

设计了一种单一敏感质量的三轴电容加速度计。该器件采用全差分电容的检测方法,满足了灵敏度的设计要求并解决了三轴的交叉耦合问题,其独特的单一敏感质量结构减小了器件的整体尺寸,降低了成本。器件由外延多晶硅工艺实现了18μm的厚度制作,降低了热机械噪声,增大了检测电容,提高了灵敏度、分辨率和可靠性。ANSYS仿真结果表明,器件在3个轴向的灵敏度一致性好,抗干扰,测试结果和理论分析相符。该加速度计结构工艺简单,在消费电子领域有较好的应用前景。     

基于PZT管支撑结构的三轴加速度计设计及实验误差分析

以提升毫米尺度三轴压电加速度计灵敏度为目标,设计了以3个长度12 mm轴向极化的PZT管作为敏感和支撑结构的三轴加速度计,给出了空间加速度信号的解算方法。通过3个PZT管关于器件结构中心轴对称布置,该加速度计实现了对三轴加速度大小和方向的精确解算。数值仿真得到了3个PZT管在[100, 1 000]Hz加速度的输出电压幅频特性曲线及器件三轴灵敏度。研制了三轴传感器样件,实验表明其x、y、z轴灵敏度分别为535、541、542 mV/g,三轴灵敏度标准差为3.8。系统分析了加工误差对实验结果的影响程度,分析并解释了实验与仿真数值间存在误差的原因,为三轴加速度计敏感与支撑结构的一体化设计提供了借鉴。     

全差分三轴MEMS电容加速度计的设计

采用刻蚀氧化硅牺牲层、沉淀多晶硅、再次刻蚀多晶硅的工艺,设计了基于单一敏感质量块的全差分三轴电容式加速度计。根据外界加速度激励对器件的不同位移作用,详细分析了三轴方向上加速度激励的交叉耦合影响。最后结合仿真结果得出:该器件具备结构简单紧凑、抗干扰能力强、灵敏度高、工艺简单等优点,在电子消费领域有很好的应用前景。     

梳齿结构与振动梁复合的硅微谐振式加速度计非线性振动特性

硅微谐振式加速度计的非线性振动可以导致振动幅度噪声耦合到频率输出进而恶化器件的噪声性能,因此有必要对谐振式加速度计的非线性振动特性进行评估及优化,拓展线性振动范围。本文针对所设计的基于梳齿结构与振动梁复合的硅微谐振式加速度计进行了仿真与实验分析。首先对加速度计结构使用COMSOL仿真软件进行了非线性仿真分析,该方法通过在谐振梁的振动方向上施加一个静力,得到力与位移之间的关系,计算出非线性三次项系数k3,eff和线性系数keff的比值约为2.13×10^10 m^-2。然后,对双端固支音叉(DETF)进行扫频测试,得出DETF的非线性振动频响曲线。根据Duffing方程对实验数据进行拟合,得出器件两个DETF的非线性三次项系数k3,eff和线性系数keff的比值分别为2.24×10^10 m^-2和2.19×10^10 m^-2。仿真值与测试值的误差分别为5.2%和2.8%。实验结果与仿真值吻合得较好,印证了仿真方法的有效性和测试数据的可靠性。最后,对所设计的谐振加速度计进行非线性分析,当振幅小于35.4 nm时,DETF工作在线性区,可为后续谐振式加计的控制电路设计提供参考。     

微机电系统集成设计方法与实现技术

针对微机电系统设计所存在的多学科交叉、周期长等问题，提出自顶向下设计与自底向上修正的双向微机电系统集成设计方法，将设计流程分为系统级、器件级和工艺级三个阶层；以微惯性器件为典型对象研究了各阶层的关键实现技术，并在此基础上构建微机电系统集成设计平台；所进行的硅微加速度计设计实例说明平台的设计流程可行，同时平台所具有的系统级、器件级和工艺级的多设计入口以及各阶层的全参数化驱动设计功能可提高微机电系统设计的效率。     

HEMT高灵敏度微加速度计的设计与测试

根据压阻传感原理设计了GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)器件与Si基悬臂梁-质量块结构集成的微加速度。通过ANSYS结构应力仿真,GaN基HEMT作为敏感单元置于微悬臂梁结构根部的应力最大处。同时对微加速度计的关键研制工艺进行了设计和研究,成功制备出具有力电耦合特性的传感结构。并且测试了微结构在静态0～10g的惯性测试,结果表明GaN基HEMT器件具备明显的力电耦合效应,该微加速度计的灵敏度为0.24 mA/g,线性度为12.4%,适合研制高灵敏度的微加速度计。     

光学仿真算法的CAD系统实现

随着光电子集成和各种平面波导器件的集成度、复杂度越来越高以及光器件的结构越来越精密,用解析的方法对器件进行分析和设计已经无法实现。为实现光学器件的良好设计,以有限差分光束传播法（FD-BPM）为仿真算法开发了光学芯片仿真软件,实现了光波导器件的模拟仿真。由该仿真结果与Matlab仿真结果的对比可知,该仿真软件能达到显示波导状态的基本要求。     

时分复用数字闭环电容式微加速度计接口电路

为实现电容式微加速度计的数字输出闭环,设计了一种数字输出闭环ASIC(Application Specific Integrated Circuit)接口电路,以降低电路输出噪声并提高测量量程。对已有的电容式微加速度计ASIC电路进行了改进,分时段在中间极板上加载差分电容读出信号和由脉宽调变(PWM)波控制的反馈信号,然后由控制器实现闭环,利用Sigma Delta调制器实现模数转换。通过分析差分电容读出电路和Sigma Delta调制器的原理和特性,建立了该数字输出闭环电容式微加速度计的模型,进行了系统的设计与仿真。实验结果表明,该数字输出闭环电容式微加速度计的噪声水平为9.6μg/√Hz,量程为±3g。这些结果验证了时分复用方案的可行性和本文所提出模型的正确性。     

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.     

挠性摆式微硅加速度计的有限元分析

】微硅加速度计是近年来发展起来的新型器件,在结构设计阶段必须对其进行力学分析,以期对使用条件下的摆片位移、应力等作到心中有数。本文采用有限元分析方法对挠性摆式微硅加速度计进行有限元分析,其中包括对未封装及封装后实体单元进行敏感轴位移、侧向位移、横向灵敏度、受力情况等分析。分析结果表明所设计的微硅加速度计符合仪表性能要求。     

基于共振隧穿微结构的GaAs基加速度计

介绍了一种基于共振隧穿微结构的GaAs基四梁式加速度计，设计了共振隧穿微结构以及GaAs基加速度计的结构，分析了加速度计的力学特性，讨论了加速度计的加工工艺，并利用该工艺在国内首次制作出加速度计。在分析了串联电阻的影响后，设计了加速度计的输出信号提取电路，并通过实验测试了该加速度计的线性度和灵敏度。结果表明：该加速度计的输出具有较好的线性度，而灵敏度比硅材料的最大压阻灵敏度高一个数量级，适合于高精度测试场合。     

谐振器型声表面波加速度传感器的研究

利用压电石英晶体设计并制作 了一种谐振器型声表面波加速度传感器,产并对其性能进行了测试和分析。     

High-shock silicon accelerometer with suspended piezoresistive sensing bridges

A high-shock 2000 g accelerometer with suspended piezoresistive sensing bridges has been designed, fabricated, and tested. Structural size of the accelerometer has been obtained through an optimal design process. Four resistors are electrically connected to form a Wheatstone bridge circuit. A sensitivity of 25.5 μV/g has been measured from the fabricated accelerometer with a nonlinearity of 0.2% in an acceleration range within 2000 g. The real-time response of the fabricated accelerometers accurately follows the reference accelerometer. The newly fabricated accelerometer has survived an over-shock condition of 4667 g.     

Design, fabrication and experiment of a MEMS piezoresistive high-g accelerometer

High-g accelerometers are widely used in explosion and shock measurement. This paper describes a MEMS piezoresistive high-g accelerometer whose range is more than 50000g. It is designed on the basis of silicon on insulator (SOI) solid piezoresistive chip. The chip has a structure where both ends of the beam are fixed. Through the stress analysis and mode analysis of the accelerometer, the detailed parameters of the structure are established. The experimental results obtained from the drop hammer shock machine test and live-fire test show good properties of the accelerometer such as good output characteristic, repeatability and fast response speed. Therefore, the accelerometer in this paper meets the requirement of explosion and shock measurement basically.     

基于MEMS技术梁膜结合压阻式加速度计的设计

提出了一种压阻式加速度计的新结构模型,采用梁膜结合结构方式,提高了低量程微硅压阻式加速度计的固有频率,减小了挠度对加速度计输出线性度的影响.通过有限元ANSYS仿真软件对结构模型进行静态和模态分析,发现在相同的负载条件下,新结构与传统结构相比,其固有频率平均提高了39%,挠度平均下降了39%,并对影响灵敏度、固有频率等主要指标的因素讨论分析,确定传感器的电阻分布和结构参数,对其结构进行优化.最后设计了版图及一套可行的工艺流程,采用各向异性化学腐蚀技术在单晶硅上制作压阻式加速度计,并与玻璃衬底阳极键合,从而提高加速度计的可靠性.该加速度计具有小尺寸、高频响、高精度的优点.     

簧片式硅弹性膜应力分布的计算和加速度传感器的优化设计

为了提高我们已研制成功的新型簧片式硅加速度传感器的性能,用有限元法计算了不同形状和尺寸的质量块在４０ｇ值加速度作用下产生的应力分布,使我们优选了最佳的质量块设计方案,显著地提高了灵敏度,取得了与理论计算符合得很好的实验结果。     

Novel Resonant Accelerometer with Micro Leverage Fabricated by MEMS Technology

For the purpose of improving the precision of the inertial guidance system,it is necessary to enhance the accuracy of the accelerometer.Combining the micro-fabrication processes with resonant sensor technology,a high-resolution inertial-grade novel micro resonant accelerometer is studied.Based on the detecting theory of the resonant sensors,the accelerometer is designed,fabricated,and tested.The accelerometer consists of one proofmass,two micro leverages and two double-ended-tuning-fork (DETF) resonators.The sensing principle of this accelerometer is based on that the natural frequency of the DETF resonator shifts with its axial load which is caused by inertial force.The push-pull configuration of the DETF is for temperature compensation.The two-stage micro leverage mechanisms are employed to amplify the force and increase the sensitivity of the accelerometer.The micro leverage and the resonator are modeled for static analysis and nonlinear modal analysis via theory method and finite element method (FEM),respectively.The geometrical parameters of them are optimized.The amplification factor of the leverage is 102,and the sensitivity of the resonator on theory is about 62 Hz/g.The samples of the accelerometer are fabricated with deep reactive ion etching (DRIE) technology which can get a high-aspect ratio structure for contributing a greater sensing-capacitance.The measuring results of the samples by scanning electron microscopy (SEM) show that the process is feasible,because of the complete structure,the sound combs and micro leverages,and the acceptable errors.The frequency of the resonator and the sensitivity of the accelerometer are tested via printed circuit board (PCB),respectively.The result of the test shows that the frequency of the push-resonator is about 54 530 Hz and the sensitivity of the accelerometer is about 55 Hz/g.The amplification factor of the leverage is calculated more accurately because the coupling of the two stages leverage is considered during derivation of the analysis formula.In addition,the novel differential structure of the accelerometer can greatly improve the sensitivity of the accelerometers.     

全量程无线倾角传感器

倾角测量广泛地应用于诸多工程领域,该文针对基于MEMS加速度传感器进行倾角测量量程受限问题,设计了由双轴加速度传感器、无线射频模块等组成的全量程无线倾角传感器,通过挂限判别实现了0°～360°全量程的倾角测量,并采用二次最小二乘法进行输入输出特性建模。试验结果表明,倾角传感器在全量程范围内测量精度为±0.21°。     

微加速度计在冲击载荷作用下的失效分析

抗冲击性是加速度计的一个主要性能指标,跌落实验则是一种测试结构冲击作用的有效方式,本文利用跌落实验种折叠梁式微加速度计在冲击载荷作用下的失效模式进行了研究。实验发现在微加速度计中主要存在两种主要的失效模式,即微梁结构的整体破坏和微结构在横向之间的粘附。应用拟静态和能量方法给出微结构在中冲击载荷下的响应。     

全数字挠性加速度计加矩设计与读出精度分析

针对石英挠性加速度计全数字闭环系统设计问题,开展了对加速度计力矩器的结构和工作原理以及与加速度数据输出的关系的分析,对加速度计力矩器的驱动和加速度计的读出精度等方面进行了研究,提出了一种数字脉宽调制(PWM)电路对力矩器进行的驱动方法,该方法不仅实现PWN对加速度计力矩器的驱动,并且该PWM数字电路的占空比参数直接作为加速度数字信号输出。利用PWM数字脉冲对加速度计力矩器进行驱动实现加速度计全数字闭环读出,对加速度计全数字读出系统进行了仿真和实验测试。研究结果表明,在一定范围内,通过调整力矩器外接电阻、PWM频率和逻辑位数,全数字挠性加速度计闭环读出电路可以测得标准偏差为1.5×10-5g,精度为10-4g的加速度值,该方法精简了电路,减少了模拟驱动电路引起的干扰。