梳状电容微加速度计结构设计和分析

阐述了双侧梳状电容微加速度计的基本结构和工作原理,运用了计算机辅助软件对其进行建模和仿真,借助该模型分析了在 1g 加速下梁的长度变化对系统灵敏度的影响和系统对正弦激脉冲输入信号的响应特性,为加速度计的结构优化设计提供了依据。

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 。

基于闭环点位置控制的硅微梳齿式加速度计温漂抑制方法

环境温度的变化会造成硅微加速度计检测电路输出漂移,从而使加速度计敏感质量的闭环点位置产生漂移。通过分析闭环点位置对加速度计标度因素K1和零偏K0的影响,证明了闭环点位置漂移是造成零偏K0温漂的主要因素和标度因素K1温漂的次要因素。提出了加速度计闭环点位置控制方法,通过在环内加入控制电压可使闭环点始终工作于稳定位置。试验结果证明,该方法可显著降低零偏K0的温漂,闭环点始终位于零反馈位置时零偏K0的温漂系数可降低一个数量级,且温漂滞环可被压缩至±1 mV(±7.77 mg)以内。

具有自检自标定功能的高负载电容式金属微加速度计的研究

提出一种由圆形板和大量扇形梁构成活动部件的新型高负载电容式微加速度计。通过将固定电极分为检测电极与驱动电极,可实现自检自标定功能。该微加速度计以金属为核心部件材料,并采用UV-LIGA微工艺进行加工。虽然活动部件因全柔性而具有复杂变形、器件内存在复杂机电耦合,但该传感器所建立的计算模型具有精确、快速的特点。采用AD7747对该加速度计进行了测试,并实现了结构参数、材料参数的标定及支撑梁发生破坏、尘粒进入腔室等故障的检查。

考虑边缘和寄生电容的微加速度计的非线性误差研究

为了使微加速度计满足线性度指标,准确计算微加速度计的非线性误差是非常必要的。在考虑边缘和寄生电容的前提下,提出了计算微加速度计的非线性误差的方法。首先根据表芯结构的电容分布特点建立了其等效电路模型,并推导了微加速度计的输出电压与检测电容和寄生电容之间的关系式,其中检测电容包含了边缘电容;其次,基于有限元法,分别提出了计算微加速度计的寄生电容和检测电容的方法;最后建立了微加速度计的输出电压与输入加速度之间的关系式,并基于三次多项式拟合,推导出微加速度计的非线性误差的计算公式。通过对比分析非线性误差的理论计算结果与实验测量结果,提出的方法的正确性得到了验证。

微机械电容式加速度计静力分析

本文根据微加速度计的结构特点,分析了单晶硅的力学特性,并且利用有限元方法对微电容式加速度计敏感芯片弹性梁的刚度、应力、应变进行了分析。

粘接工艺对电容加速度计封装应力的影响

为了提高电容式加速度计的输出性能,更好地消除粘接工序引起的封装应力,文中对加速度计的可动结构进行了合理的简化,通过有限元分析对加速度计在工况下的应力场和芯片翘曲进行了模拟仿真,系统分析了粘接材料特性、粘接工艺参数以及应力过渡层结构对可动结构处的应力和翘曲变形量的影响。结果表明:粘接材料的杨氏模量对封装应力影响较大,当杨氏模量大于10^(9)Pa时,封装应力会出现陡增的现象;在满足粘接强度要求下,采用中心粘接方式,可以较好地降低封装应力;粘接胶层厚度在140μm附近时,封装应力达到最低,为5 MPa;添加应力过渡层,调整应力过渡层材质以及上下胶层的软硬程度也可以进一步消除封装应力。

微电容加速度计结构的热固耦合拓扑优化

基于连续体结构拓扑优化的SIMP材料插值模型,建立了热固耦合场结构的有限元控制方程;通过伴随矩阵方法,研究了热固耦合场的敏度分析问题;以叉指式微电容加速度计质量块受热膨胀后,在加速度检测方向的最大形变不大于某一给定值为目标,以质量块的体积比为约束条件,建立了质量块结构的热固耦合拓扑优化模型;采用优化准则算法进行迭代求解后,得到了微电容加速度计质量块的最优拓扑形式,当工作温度在0～300℃范围内变化时,该拓扑形式在加速度检测方向的最大形变仅为23.9nm。

基于梳齿间距偏差的硅微加速度计冲击与阶跃信号响应模型

源于概率统计理论,针对梳齿电容的微细加工偏差,给出了当各梳齿间距偏差在一定范围内独立且均匀分布时,单边电容和双边电容驱动的硅微加速度计冲击与阶跃信号响应物理模型.经过有限元仿真和Monte Carlo模拟验证,结果表明理论模型与仿真值之差小于10%.模型指出,当梳齿间距偏差由0变化到20%,加速度计在受到冲击与阶跃加速度信号作用时,其可靠工作范围将比无偏差理想情况下降10%~15%.该模型可望应用于实际有加工偏差的微加速度计可靠工作范围预先评估与设计.

后退火处理对电容式MEMS微加速度计的影响

针对电容式MEMS微加速度计出现的输出值漂移问题,研究了后退火处理对封装好的电容式微加速度计的影响,选取的退火温度为110℃,退火时间为192 h。对退火后微加速度计的上电时刻零位值和上电1 h内1 g状态下的输出值进行了测量。通过对测试结果进行分析得到:退火实验可以筛选出随贮存时间零位漂移较小的样品;微加速度计输出值零位漂移的主要原因可能是芯片受F元素的影响;微加速度计输出值上电漂移的主要原因可能是芯片受O元素的影响。

梳齿式微加速度计优化设计与仿真分析

给出了多学科层级优化算法模型,对梳齿式微加速度计的结构参数进行了优化设计,对优化前后的梳齿式微加速度计进行了有限元仿真分析。优化设计结果表明,微加速度计的工作性能有明显提高。有限元仿真分析结果验证了多学科层级设计优化方法的有效性。

Sigma-Delta微加速度计改进型梳状滤波器的设计

为了改善Sigma-Delta微加速度计中梳状滤波器的性能,提高输出信号的信噪比,通过调整梳状滤波器的零点位置,可以得到改进型的梳状滤波器.研究表明,改进型梳状滤波器在不同的零点位置,表现出不同的量化噪声过滤性能.于是,利用遗传算法可以快速的求出输出量化噪声最小时的零点位置最优值.并通过对比四阶梳状滤波器和改进型梳状滤波器的幅频特性,发现改进型梳状滤波器在折叠区域有着更快速的截止性能,因此这种改进型梳状滤波器比经典型梳状滤波器有着更好的量化噪声过滤性能.

基于梳齿间距偏差的微加速度计灵敏度模型

针对电容式微加速度计梳齿间距偏差所引起的灵敏度变化，基于高维数值积分与概率理论，并结合闭环微加速度计工作原理，导出了其灵敏度模型。当梳齿间距偏差分布在3．7～4．6μm区间，施加在固定电极上有效电压分别为2．3V、5．1V和8．3V时，其对应的灵敏度将处于120～195、55～85和32～51mV／g。范围。在相同条件下，对一批体硅玻璃键合结构的微加速度计进行了实验测量，其灵敏度分别落在119．3—179．9、53．8～81．1和33．0～49．8mV／g。区间。由此可见，该模型与实测值比较接近。模型指出了灵敏度与梳齿间距偏差的相互关系，从而可为微加速度计设计和工艺优化提供参考。

差分式微电容加速度计的数学模型及应用

介绍了一种基于MEMS和表面微加工工艺的差分式微电容加速度计,并通过分析,构建了该加速度计的数学模型,并简要介绍了该加速度计的一些简单应用.

差分电容硅微加速度计检测电路研究

针对硅微加速度计中微小差分电容检测,提出了一种基于调制解调方法的闭环检测电路,介绍了该闭环检测系统的原理框图和实现途径。分析了基于单路载波的前置电容-电压(C-V)转换电路,证明了基于相关芯片的解调方法的有效性,其解调效率仅对开环输出有影响;基于双路反馈电路的静电力平衡回路有效提高该检测系统的线性度。结合硅微加速度计参数和电路设计参数,对加速度计系统进行了仿真,仿真结果显示系统稳定,刻度系数为0.9 V/gn左右,带宽700 Hz左右。结合表头进行的精密转台实验结果表明该加速度计系统刻度系数0.88 V/gn,量程可达±13 gn。

电容式微加速度计结构的建模及仿真

建立了电容式微加速度计的结构模型，运用有限元分析方法对其进行模态分析，研究了微加速度计结构尺寸对谐振频率和模态振型的影响，得出了结构尺寸对这两者的影响规律，为此类加速度计的结构设计提供了依据。

微机械电容式加速度计结构设计分析

微机械电容式加速度计的基本参数如固有频率、非线性度、分辨率等首先取决于其本身的结构,因此加速度计结构的设计选取至关重要。本文首先综合比较了微机械电容式加速度计的三种常见结构三明治摆式、翘翘板摆式和梳齿式的各自特点,指出了定齿偏置结构的梳齿式微机械加速度计的优点。并以该结构为分析对象,从加速度计的分辨率、量程、稳定性、灵敏度等性能分析比较了多种结构梁,提出了折叠梁的综合性能最好,最后通过分析计算出了折叠梁在检测方向的刚度。

基于SIMP方法微电容加速度计结构固有频率拓扑优化

基于连续体结构拓扑优化的SIMP材料插值模型,以叉指式微电容加速度计弹性梁和质量块的一阶固有频率最大化为目标函数,以体积比作为约束条件,建立了弹性梁和质量块的拓扑优化模型。采用优化准则算法进行迭代求解计算。获得了满足不同体积约束并使一阶固有频率最大的微电容加速度计弹性梁和质量块的多种拓扑优化结构,其中28%体积比约束下的拓扑优化结构与其初始结构相比,一阶固有频率提高了3 330 Hz,提高比例达46.4%。计算结果表明通过构建的拓扑优化模型及优化求解方法可以较好地解决微加速度计频响范围过窄的问题。

基于SIMP模型的微电容加速度计结构拓扑优化

基于连续体结构拓扑优化的SIMP材料插值模型,以微电容加速度计结构弹性梁和质量块检测方向的柔度最大化,非检测方向的柔度最小化为综合相对柔度目标,以检测方向的谐振频率尽可能小于非检测方向谐振频率为抗横向干扰能力目标,一定体积比作为约束条件,建立了微电容加速度计弹性梁和质量块结构拓扑优化设计模型,采用优化准则算法进行迭代求解计算,通过二维数值算例验证了优化模型的有效性,为研究微电容加速度计结构优化设计提供了一种新的思路和方法。

一种高分辨率电容微加速度计的设计研究

分析了影响加速度计分辨率的因素,在此基础上,通过采用深度反应离子刻蚀工艺获得大的敏感质量和小的电极间隙、采用电容变化量比枝齿梳状敏感结构大一倍的直齿梳状敏感结构和利用静电负刚度来降低结构的刚度等措施提高器件分辨率。最后给出了一种新的设计方案,叙述了其工作原理并分析了影响其闭环灵敏度的因素。