Multidisciplinary design process based on virtual prototyping for microsystem design

Microsystem design involves the mixing of two main disciplines: mechanical engineering and electronics. Multidisciplinary design approach is not easy to implement and becomes more difficult when the challenge consists in simultaneously handling new knowledge that characterizes the field of microsystem industry. We present herewith a new multidisciplinary engineering approach used to lead the detailed design of micro-accelerometers based on virtual tools. Virtual prototyping that is usually implemented in one sole domain of competence is developed to be manipulated by either experts from electronics or mechanics. This new tool improves collaboration and the rapid identification of highly satisfying solutions. The virtual tool allows exploration of micromechanical devices and system design issues and objectives. It uses interactions with the designer in order to achieve solutions integrating the physics rules of the design and the experience of the designer.     

基于微加速度计的并联机构振动分析及测试实验

以6 - UPU并联机构为研究对象,建立了并联机构广义固有频率模型,对底位工况位置进行了固有频率数值求解;利用微加速度计测试出并联机构5个自由度的固有频率值;理论分析与实验测试结果较为接近,其误差度在10％的范围内,验证了振动模型的正确性.实验表明:该振动测试分析方法可用于并联机构固有频率分析,可为类似构型的并联机构结构设计与控制器设计提供理论依据.     

基于退化量分布的高量程MEMS加速度计的可靠性评估

高量程MEMS微加速度计主要应用于航空、航天及军工等高可靠性要求的惯导领域。为了更好进行微加速度计的可靠性寿命预测,提出一种基于退化量分布,以实验数据拟合推导出分布模型参数的变化关系从而更加准确的评估微加速度计的可靠性寿命。实验研究结论表明采用新的评估方法能够获得更准确的微加速度计可靠性预测。     

微加速度计中Sigma Delta调制与 脉冲编码调制的对比分析

对Sigma Delta调制与脉冲编码调制进行对比,研究了Sigma Delta调制与脉冲编码调制的优缺点。建立了微加速度计中两位输出的Sigma Delta调制和两位输出的脉冲编码调制的仿真系统。然后,对比使用这两种调制方式的微加速度计的加速度信号,并分析在两种不同调制方式下的输出信号波形的差别。最后,利用周期图法得到了两种调制信号的功率谱密度图,发现在低频段脉冲编码调制信号的量化噪声比Sigma Delta调制信号大很多;而在高频段,两种调制方式信号的量化噪声一样严重。仿真结果表明,尽管Sigma Delta调制系统比脉冲编码调制系统更加复杂,但是Sigma Delta调制得到的信噪比要比脉冲编码调制得到的信噪比高出20 dB。     

复合量程加速度计在高过载环境下封装失效的研究

在高过载环境下,封装直接影响到加速度计的可靠性.从理论上对封装引起的加速度计失效进行了分析.采用ANSYS软件,对复合量程加速度计的封装进行设计与仿真,对设计结果进行试验验证.试验证明,该设计能够在高过载环境下有效的保护复合量程加速度计正常工作.     

无掩膜腐蚀与伺服型电容式微加速度计

为了解决“三明治”这类微器件制作的深窄槽结构成型问题,运用无掩膜湿法腐蚀技术,成型悬臂梁雏形后再成型质量块,较好地实现了悬臂梁与质量块同时准确成型,研制出±70g和±5g两种不同量程的微加速度计。样品测试表明,利用这项技术所制作的微加速度计相对精度皆优于1×10^-4。其中,±70g量程的残差可控制在7mg以内,非线性可达0．02％;±5g量程的残差在0．4mg左右。     

复合量程加速度计抗过载技术的研究

介绍了复合量程加速度计的设计原理,对加速度计的抗高过载能力进行理论分析和实践证明。从复合量程加速度计的内部结构设计到外部封装设计两个方面考虑提高抗高过载能力。应用ANSYS软件对结构进行仿真,并应用到实际的过载试验。试验中,复合量程加速度计在经过高过载之后,能有效的测得炮弹膛内初始过载和外弹道轴向过载,而且加速度计没有被损坏。结果证明,这种抗过载设计方案具有很高的可靠性。     

叉指式微加速度计的静电-机械耦合场分析

为了对微加速度计进行静电 -机械耦合场分析 ,利用ANSYS软件及它的编程语言APDL实现了有限元耦合场分析。作为实例 ,选择一种尺寸的叉指式微加速度计 ,分析了它的灵敏度 ,其结果同理论值基本一致。     

硅三明治型微机械加速度计温度漂移与敏感结构热膨胀关系研究

针对硅基三明治型微加速度计的温度漂移现象,基于力学和热学原理,分析了微加速度计敏感部分关键结构弹性梁、敏感质量块在温度升高时的热膨胀与力学平衡关系变化。结合微加速度计的闭环反馈工作方式,导出了其输出改变,指出由于弹性梁、敏感质量块在温度升高时热膨胀引起的输出变化小于0.002gn/10℃,同时,实验表明微加速度计输出随温度的变化为(0.1~0.2)gn/10℃。两者对比的结果显示,由于温度变化而引起的敏感结构热膨胀导致的输出改变不是微加速度计产生温度漂移的主导原因,研究结果为三明治型微加速度计稳定性与漂移的进一步研究提供了参考。     

无粘连键合技术与伺服型±70 g微加速度传感器

为了解决电容极板间隙低至3 μm时传感器键合封接后内部活动部件粘连失效的问题,介绍了一种利用去除部分Au层的办法来抑制小间隙键合粘连,通过严控元件表面生产质量,合理地设计伺服控制器,制作的微加速度传感器已经达到了±70 g的量程,单边线性二次项系数10-6量级,残差控制在15 mg以内,相对精度达到了2×10-4,达到了设计要求.