多负载环境下微加速度计的可靠性建模与分析

针对多负载环境下微电子机械系统(MEMS)微加速度计易出现的敏感结构断裂及材料疲劳退化问题,提出了一种基于全概率理论的微加速度计可靠度预估模型。该模型结合齐次泊松过程和Wiener退化过程,分别表征单位时间内作用在微加速度计上的冲击载荷次数以及器件在振动负载下的疲劳退化过程,完成了微加速度计在广义极端冲击、广义δ-冲击和广义混合冲击条件下的可靠度建模。对比分析了三种模型预估的可靠度随时间的变化规律,分析得出,广义混合冲击模型的可靠度计算结果更具有指导意义。进一步对广义混合冲击模型进行参数敏感性分析,研究结果表明,冲击强度与冲击次数对微加速度计的可靠度具有显著影响。

基于微加速度计的鼠标系统设计

设计了一种新型的输入设备——微加速度计鼠标系统,该系统融合了MEMS微加速度计和无线射频技术,能够实现传统鼠标的功能。该系统由用户控制和信号接收两部分组成。无线射频技术使得用户控制模块能够摆脱线缆的束缚,在空中自由运动,并可通过人体任何部位进行控制。二维旋转角算法和按键模拟算法的提出,使该鼠标系统能达到比传统鼠标更高的控制精度、更高的DPI,实现无按键的操作。

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 ,本文利用跌落实验对一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冲击载荷下的响应。

复合量程微加速度计的研究

在同一个物理过程中往往存在相差上数十倍甚至上万倍的多个加速度值需要测量,例如,分析弹体在发射和飞行过程中的受力情况,既需要测试发射过程中上万个g的加速度,也需要测试飞行过程中几个g的加速度.在这些场合用同一个加速度计很难满足整个过程的测试要求.针对类似的需求,介绍了一种由四个压阻式微加速度计组成的复合量程微加速度计,四个微加速度计量程分别为100g、500g、1000g和2000g.除了主要介绍微加速度计阵列的设计、制造和测试外,还着重介绍了低量程传感器在高过载环境下的结构防护问题.线性测试结果表明该复合量程微加速度计具有较好的线性度,因而可以同时在测量四个不同的量程的加速度值.

基于组件网络方法的微加速度计建模与仿真

提出多端口组件网络方法对MEMS进行建模与仿真,建立了惯导MEMS典型功能结构部件的参数化多端口组件模型,联结组件模型形成网络构建了蟹腿式微加速度计的系统模型。用硬件描述语言作为编码工具,Saber作为平台对该微加速度计模型进行了仿真分析。研究表明,采用多端口组件网络可以实现MEMS整体行为的快速仿真,并能分析局部尺寸参数对系统性能的影响。与有限元分析相比较,微加速度计系统模型仿真得到的检测方向的固有频率误差小于1 0%;仿真结果表明梁的宽度变化对系统灵敏度有较大影响,故需要尽量减小梁宽的加工误差。借助该模型还研究了系统对正弦及脉冲输入信号的响应特性。

微加速度计研究的进展

介绍了微加速度计的基本原理以及国内外常见的各种微加速度计的结构形式,包括压电式、电容式、扭摆式、隧道式等,分析了这些传感器的基本特点,总结微加速度计发展中存在的一些问题,并提出一些解决关键问题的措施,预测微加速度计未来的发展趋势。

用Hopkinson杆冲击加载研究高量程微加速度计芯片的抗过载能力

采用体硅微机械加工技术制作田字形结构的高量程微加速度计芯片。为了研究芯片的抗过载能力 ,使用Hopkinson杆对其施加冲击载荷 ,以一维应力波理论估计芯片受到的加速度。结果显示 ,芯片破坏的临界载荷为 2 0 0kgn。裂纹和断裂主要发生在十字架中心、边框的 4个角以及十字梁和边框的连接部位。

检测电压对一种新型谐振式微加速度计的影响

静电作用在在平行板电容器上会产生等效静电负刚度,介绍了基于静电刚度的谐振式微加速度计设计原理,建立了其动力学模型。根据检测电压的约束条件,求解了其可行范围。同时分析了检测电压对系统灵敏度、可靠性和量程及输出电压的影响。分析结果表明:检测电压越大,灵敏度越大,但可靠性和量程会相应减少,反之亦然;直流检测电压的存在使得输出电压不受检测电容并行的寄生电容影响。理论分析结果为谐振式微传感器的系统设计提供了重要依据。

复合量程微加速度计中阻尼的分析与设计

为了避免微加速度计在工作过程中因为共振导致结构损坏,需要在结构中合理设计阻尼.设计了一个复合量程压阻式微加速度计,为了使结构中各个传感器具有较好的阻尼参数,通过静电键合在硅结构层下制作一玻璃层.根据Reynolds方程,可知当硅-玻璃静电键合间距d=2.25μm时,复合量程微加速度计中各个传感器可得到较好的阻尼比.

微加速度计在冲击环境下的可靠性研究

微加速度计用于测量载体的加速度,并提供相关的速度和位移信息。微加速度计可以和微型陀螺仪组合构成微型惯性测量单元。但是微加速度计还没有完全实现市场化,微加速度计的可靠性问题已经成为制约其广泛应用的关键因素。微加速度计在加工、封装、运输和实际使用中都可能受到冲击的作用。主要研究压阻式微加速度计在冲击环境下的可靠性问题。通过简化加速度计的结构,得出了悬臂梁上的应力分布。设计了微加速度计在冲击环境下的可靠性试验,分析了加速度计在冲击环境下的主要失效模式及失效机理。得出了压阻式加速度计在冲击环境下的主要失效模式是键合引线的脱落和悬臂梁的断裂。

一种大厚度的三轴差分电容式硅微加速度计

介绍了一种新型三轴全差分电容式加速度计的设计和制备。设计的加速度计采用了三个共用同一玻璃衬底的大厚度差分电容式微结构 ,分别用于检测三个垂直方向的加速度。同时 ,对所设计的微结构从理论和数值上进行了详细的分析。用有限元分析工具 ANSYS对器件进行了模拟 ,模拟结果显示出器件设计的合理性。最后 。

电容式微加速度计的闭环检测技术研究

针对分立元件电路噪声与干扰大的特点,设计了基于调制解调方法的微加速度计闭环检测系统,详细介绍了该闭环检测系统的原理框图及实现方法,讨论了该闭环检测系统的数学模型,并且利用精密转台对该微加速度计的性能进行了测试,测试结果表明,该微加速度计测量线性度为2.5%,量程为±1g,刻度因子为3V/g。

微加速度计固有频率的推导及验证

为了解决压阻式加速度计的动态特性欠佳的共性,避免微加速度计在工作过程中因为共振导致结构损坏,在结构设计过程中选择合理固有频率是至关重要的。本文就针对一种四边八梁结构的高gn值压阻式加速度计,通过力学知识,简化结构并推导出其固有频率的理论计算公式,并利用有限元仿真软件和测试高gn值加速度计频率特性的方法,对此理论公式进行了仿真和实验验证,证明此理论公式的正确性和可用性。这样,在加速度计结构的设计过程中,可以直接利用此公式计算出结构的固有频率,从而减化加速度计的结构设计和优化过程,设计出最合理的固有频率结构。

新型三轴微加速度计设计

新型三轴微加速度计采用单一惯性质量 ,由四组L型梁对称布置支撑 ;利用差分电容作为检测接口 ,测量由于惯性力而引起惯性质量的微动位移 ;电容的差分结构有利于提高微加速度计的检测性能 ,实现系统静电力反馈闭环控制。利用ICP深刻蚀技术和静电键合技术等微机电系统工艺完成微加速度计的制作。具有体积小、灵敏度高、功耗小等优点 ,能够广泛应用于导航系统、汽车工业、PC游戏设备以及其他一些消费电子产品领域。

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。

三轴电容式微加速度计接口ASIC设计

基于CSMC0.5um CMOS工艺,给出了一款3轴电容式微加速度计接口ASIC的详细设计方案。利用时分复用技术实现了使用同一电路模块同时检测3个轴向的加速度信号,利用相关双倍采样技术提高了电容电压转换的分辨率,利用Sigma_Delta调制技术对电路噪声进行有效整形。仿真得到系统的分辨率为0.91 a F/Hz1/2,3个轴向的噪声密度分别为43.60μg/Hz1/2、43.60μg/Hz1/2和45.70μg/Hz1/2,3个轴向输出数字脉冲信号占空比的非线性度分别为1.38%、0.91%和1.79%。

四阶Sigma-Delta微加速度计系统设计与分析

为了降低Sigma-Delta(ΣΔ)微机械加速度计量化噪声,提高系统分辨率,完成了一种单环四阶ΣΔ微加速度计的分析与设计,建立了系统的线性模型,并在此基础上,采用根轨迹法分析了系统稳定性.理论分析表明所建立的四阶ΣΔ微加速度计系统在噪声特性、死区、空闲音方面都具有优良的特性.在系统级的分析与讨论基础上,实现了传感器接口电路晶体管级的设计,该电路采用0.5μm 2层多晶2层金属CMOS工艺流片,系统测试结果表明该加速度计灵敏度为1.2 V/g,非线性度为0.2%,开环噪声密度12μg/Hz1/2,闭环噪声密度80μg/Hz1/2,整体功耗为40 mW.

膜片上薄膜体声波谐振器型微加速度计

针对"FBAR(薄膜体声波谐振器)-梁"结构悬臂梁厚度不足、"嵌入式FBAR"结构微加工工艺复杂的缺点,提出了新型"膜片上FBAR(FBAR-on-diaphragm)"结构的微加速度计。其弹性膜片由氧化硅/氮化硅复合薄膜构成,既便于实现与硅微检测质量和FBAR的IC兼容集成加工,也利于改善微加速度计的灵敏度和温度稳定性。对由氧化硅/氮化硅双层复合膜片-硅检测质量惯性力敏结构和氮化铝FBAR检测元件集成的膜片上FBAR型微加速度计进行了初步的性能分析,验证了该结构的可行性。通过有限元模态分析和静力学仿真得出惯性加速度作用下膜片上FBAR结构的固有频率和弹性膜片上的应力分布;选取计算所得的最大应力作为FBAR中压电薄膜的应力载荷,结合依据第一性原理计算得到的纤锌矿氮化铝的弹性系数-应力关系,粗略估计了惯性加速度作用下氮化铝薄膜弹性系数的最大变化量;采用射频仿真软件,通过改变惯性加速度作用下弹性常数所对应的纵波声速,对比空载和不同惯性加速度作用下加速度计的谐振频率,得到加速度计的频率偏移特性和灵敏度。进一步分析仿真结果还发现:氧化硅/氮化硅膜片的一阶固有频率与高阶频率相隔较远,交叉耦合小;惯性加速度作用下,谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数k Hz/g,其加速度-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性。

胶层热传递对挠性摆式微加速度计温度滞环的影响

挠性微加速度计是惯导系统的核心组件,主要采用胶粘接装配,因此研究胶层热传递和蠕变效应共同作用对揭示温度滞环对加速度计性能稳定性影响具有重要意义。本文针对因手工涂胶导致的胶层厚度、溢出和倾斜等误差因素进行仿真,结果表明,第1周期的滞环值明显高于第二及以后周期的,应采用分步补偿。胶层溢出对滞环值的影响较大,溢出量为0.03mm时,第1周期最大可达260μg。胶层厚度在设计许可范围内,随厚度增加呈减小趋势。胶层倾斜量达到胶层厚度一半时,第1周期最大滞环值达120μg。上述研究结果可为加速度计装配工艺优化提供数据支撑。

基于MEMS微加速度计的振动测试仪

采用16位单片机MSP430、微加速度计ADXL203及射频收发芯片nRF2401设计制作了一种微型振动测试仪。采用ADXL203检测振动,输出与加速度大小成比例关系的电压信号经滤波、放大、A/D转换等处理后转换为单片机能识别的数字信号,信号经处理器处理后,通过nRF2401发送至PC机显示,并以加速度曲线的形式显示。重点研究了低功耗的轻巧敏感元件ADXL203的振动信号的检测和调理、中断方式下的A/D采样以及nRF2401的射频通信,并通过振动测试试验验证了设计的正确性,该方案适用于低功耗、微型化、网络化的振动测试。