一种摆式谐振加速度计的微杠杆结构设计与分析

为提升摆式谐振式加速度计性能,设计了一种将质量块与微杠杆结构一体化的摆式微杠杆结构,实现惯性力的敏感与放大,提升结构的鲁棒性。首先建立了微杠杆结构力学模型,并进行了关键参数计算。其次,根据微杠杆结构放大倍数影响机理,分析了质量块、支撑梁及微杠杆结构尺寸参数对放大倍数的影响;理论分析与有限元仿真结果均表明,支点梁与输出梁的宽度应作为该类微杠杆的关键优化参数。最后,根据上述结论对现有结构尺寸进行优化,优化后的微杠杆放大倍数为15.68,系统放大倍数为12.88,标度因数为70.52 Hz/g,较优化前分别提升了36.94%、36.87%和36.88%,验证了优化方法的有效性。

工程化硅微谐振加速度计设计与实现

提出一种基于MEMS敏感结构芯片与专用集成电路芯片(ASIC)集成封装的硅微谐振加速度计设计方案。敏感结构主要包括敏感质量块、一级微杠杆放大结构和双端固定音叉谐振器。整体结构采用左右差分对称布局,实现器件高灵敏度。敏感结构芯片基于全硅晶圆级封装工艺,实现敏感结构芯片的低应力与批量化加工。敏感结构芯片与ASIC芯片采用堆叠式集成封装,实现器件的小型化与低功耗。所设计加速度计的谐振频率约为18.2 kHz,量程为±20 g_(n),标度因数为216 Hz/g_(n),标度因数稳定性为5×10^(-6),零偏稳定性为6.5μg_(n)(1σ,10 s)。所提方案实现了器件的小型化、低功耗与集成化。

小型化硅微谐振式加速度计的实现与性能测试

设计了一款由微机电系统和专用集成电路构成的小型化硅微谐振式加速度计。该加速度计采用80μm厚SOI工艺加工微机电系统(MEMS)结构,采取真空封装技术降低结构噪声。首先,采用振荡信号作为自动增益控制电路中斩波器的控制信号,降低了闪变噪声且不会引入额外的功耗。其次,使用线性区工作的乘法器取代传统的吉尔伯特单元,通过大幅降低系统总体供电电压来降低功耗。最后,采用复位计数器进行频率数字转换,在所关心的带宽内抑制量化噪声。实验显示:该加速度计在达到±30 g线性量程的前提下,实现了2.5μg/√Hz的分辨率和1μg的零偏不稳定度。此外,为了减小电路自身发热引起的温度漂移,该样机的功耗被控制在3.5mW以内,系统集成后的尺寸约为45mm×30mm×20mm。基于所述技术,系统在体积、功耗和性能方面均有较大的提升。

硅微谐振式加速度计的实现及性能测试

为了提高硅微谐振式加速度计性能,从一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,介绍了加速度计的结构、加工方法和接口电路。该谐振式加速度计结构包括敏感质量块、谐振器和微杠杆3部分,采用差动结构来减小共模误差的影响。接口电路中采用了自动增益控制电路来稳定谐振器的振幅,成功实现了谐振器的闭环自激振荡和频率检测。分析了谐振式加速度计频率输出与加速度输入的关系,测试了硅微谐振式加速度计样机性能,结果为量程±50g,标度因数143 Hz/g,零偏稳定性1.2 mg,零偏重复性0.88 mg,阈值170μg。文章最后提出,DDSOG工艺中采用的玻璃材料和硅材料温度系数不同,影响了加速度计的温度特性,因此需要进步一改进加工工艺。

微杠杆在硅微谐振式加速度计中的应用

从基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,阐述了加速度计中微杠杆结构对惯性力的放大作用,证明了标度因数与系统放大倍数n为正比关系,并以加速度计样机中的单级微杠杆为例,建立了加速度计的理论模型。推导了微杠杆的放大倍数A和轴向刚度K的计算公式,以此为基础导出了加速度计系统放大倍数n的计算方法。依据公式计算得到加速度计样机的系统放大倍数n的理论值为21.820,并用有限元方法对理论值进行了仿真验算,得出n的仿真值为19。最后对加速度样机进行了实际测试,测得加速度计的标度因数为127.33Hz/g,系统放大倍数n为25.466。对所得结果的比较表明,系统放大倍数的理论值与仿真值及实验值的误差分别为14.8%和14.3%,误差在可接受范围内。

硅微谐振式加速度计的温度效应及补偿

零偏和标度因数稳定性是衡量加速度计性能的两个重要参数.为了降低硅微谐振式加速度计的温度敏感性,对其温度影响机理进行了深入研究.通过温度实验发现,硅微谐振式加速度计的零偏和标度因数与设计理论参数有较大区别,且都具有较大的温度灵敏度,分别为0.72 g/℃和1.5℃-1.对弹性模量和谐振器应力与谐振器频率的关系进行了理论计算和FEA仿真验证,其中弹性模量引起的谐振频率-温度灵敏度为-0.7 Hz/℃,谐振器应力引起的谐振频率-温度灵敏度为180 Hz/℃.阐述了加工过程中键合应力产生的原因以及键合应力与谐振器残余应力的关系,发现谐振器应力是造成加速度计输出随温度漂移的主要因素.提出了一种隔离残余应力的隔离梁的设计方案,可使零偏温度灵敏度降至-35 Hz/℃,为温度补偿指明了方向.

硅微谐振式加速度计驱动电路参数优化

将遗传算法与低频模型相结合,提出了一种快捷的驱动电路设计方法,用于提高低功耗硅微谐振式加速度计模拟驱动电路的瞬态性能,并缩短设计周期。该方法通过对闭环驱动电路模型进行高低频解耦,提取闭环驱动电路的低频模型;将提取的低频模型与遗传算法相结合,给出完整的优化方法,得到了满足各项实际约束的最优电路参数。针对某型硅微谐振式加速度计,建立了SIMULINK低频仿真模型,根据实际情况制定了约束条件。应用该方法求出了系统启动速度最快的PI控制器的参数,并对其进行了实验验证。起振实验结果表明,采用优化参数可使超调量小于50%,相位误差小于5°,1%调节时间从优化前的0.42s减少到优化后的0.19s,实验与仿真误差小于5%。得到的结果证明提出的方法正确有效,具有可实施性。

有限元法在谐振式硅微机械加速度计设计中的应用

谐振式硅微机械加速度计是新型高精度的微机电系统传感器.作者选用双端固定音叉作为谐振器,设计了一种硅微谐振式加速度计.设计中,使用了有限元分析软件进行了大量辅助分析,对传感器的工作情况进行了仿真.通过模拟和计算,预先估算出谐振器固有频率、应力分布情况以及传感器基本性能参数,这对传感器工艺流程设计及结构改进具有重要意义.有限元分析结果显示,传感器的灵敏度大约为2Hz/g.

一种硅微谐振式加速度计频率读出方法与ASIC实现

针对硅微谐振式加速度计(SRA),提出了一种低噪声、低功耗、可集成的频率读出电路。频率读出电路主要基于Σ-Δ原理,实现了对量化噪声的调制与抑制,在0.1 Hz频率下实现了0.1Mhz/√Hz的频率测量水平。同时,专用集成电路(ASIC)实现了对加速度测量中频率非线性的补偿,实现了在质量块正弦调制谐振梁情况下频率的零均值变化,解决了冲击和振动环境中非线性导致的加速度偏移问题。最后,ASIC以0.35μm CMOS工艺实现,并与前端模拟振荡电路集成,构成了完整的SRA单芯片测控系统。

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。

硅微谐振式加速度计温度补偿方法研究综述

硅微谐振式加速度计具有体积小、成本低、动态范围宽、高精度准数字频率信号输出等优势,但零偏、标度因数等关键性能指标受到了温度等因素的制约,尚不能满足高精度导航制导的高性能要求。因此,本文在简要介绍硅微谐振式加速度计温度特性及温度误差来源的基础上,综述了近年来国内外学者针对硅微谐振式加速度计进行的温度补偿方面的研究,包括无源温度补偿技术、有源温度补偿技术;介绍了无源温度补偿技术与有源温度补偿技术常用的方法和最新的研究成果;分析总结了各种方法的优缺点,提出探索更加精确的测温手段、热隔离效果更好的隔离装置以设计一种低功耗、预热时间短、控制稳定性强的微烘箱系统进行器件层的加热控温,以及寻求无源补偿技术与有源补偿技术相结合的更多可能性以获得温度补偿最优组合是后续温度补偿工作的重点研究方向。

硅微谐振式加速度计电路带宽测试方法研究

以自主研制的硅微谐振式加速度计(MSRA)为研究对象,针对其驱动电路的带宽测试,设计一种基于锁相环解调电路的带宽测试方案。针对锁相环驱动电路的相位传递函数建立SIMULINK仿真模型,并对闭环回路模型进行分析。在锁相环的输入端口加载由现场可编程门阵列(FPGA)产生的激励信号,等效为外界加速度频率变化下的锁相环输入信号,由基于锁相环的解调电路读出加速度计驱动电路的输出幅值,该带宽测试模型与MSRA实际测试情况一致。实验结果表明:MSRA锁相环驱动电路的实测+3 d B的带宽值为210 Hz,与模型仿真得到的216 Hz基本吻合。该测试方法具有精度高、易实施、成本低等特点,可满足锁相环驱动电路的带宽测试需求。

硅微谐振式加速度计器件级封装应力辨识

器件级封装应力是影响微电子机械系统(MEMS)器件性能的主要因素之一。基于硅微谐振式加速度计(SRA)的力频特性,结合SRA芯片表面翘曲变化的有限元分析,实现SRA器件级封装应力的辨识。分析封装应力的辨识机理和误差,建立SRA器件级封装应力仿真模型,通过谐振器频率变化与基于芯片翘曲变化的有限元仿真进行相互验证,完成两种封装应力表征的统一辨识。以此为基础,对不同封装参数的SRA进行应力辨识。采用谐振器频率变化表征封装应力的测试结果与仿真结果相吻合。结果表明随着金锡焊层直径的增大,封装应力随之增大,金锡焊层直径为1.5、3.0和4.0 mm对应封装应力分别为1.45、2.31和3.42 MPa。提出的SRA器件级封装应力的实时应力辨识方法可满足快速批量化应力辨识的要求。

硅微谐振式加速度计温度效应标定与补偿

为了提高硅微谐振式加速度计(SRA)零偏温度稳定度和标度因子的温度系数,提出了一种温度标定补偿方法。首先,根据应力与谐振频率关系建立了考虑温度效应的硅微谐振式加速度计的数学模型。然后,通过安装误差、温度效应的两级标定得到模型参数的极小范数最小二乘解,并且在标定中应用了热隔离层来提高标定精度。最后,应用所获得的标定参数建立了加速度计补偿系统,实时计算补偿后的加速度。实验结果表明,补偿后加速度计在5~35℃内的零偏温度稳定度从3.3×10^-2下降到1.3×10^-5,标度因子的温度系数从0.3 Hz/g/℃下降到6.7×10^-3 Hz/g/℃,同时还表明该标定补偿方法可以降低由温度滞回效应带来的动态误差。

硅微谐振式加速度计的谐振器非线性振动调节与抑制方法

在高精度微型惯性制导系统的应用中,基于MEMS工艺制造的硅微谐振式加速度计(SRA)由于其较大的线性量程和较低的控制环路噪声,更容易实现高精度,逐渐成为研究热点。研究发现,SRA高Q值设计的特点使得谐振器极易受到非线性振动的影响,进一步产生幅频耦合效应导致SRA的幅度噪声耦合到频率输出噪声,恶化SRA的零偏不稳定性,因此在设计时应尽量避免谐振器非线性振动的干扰。分别从驱动力控制和谐振器的结构设计两个方面对谐振器非线性振动进行了理论分析,在此基础上提出特定Q值与结构下改变谐振器边界条件的方法,将非线性刚度降低为原来的41%,线性振动的最大振幅提升为原来的2.6倍。最后设计实验验证了谐振器的非线性刚度和幅频响应,理论模型与实验值误差小于15%。

硅微谐振式加速度计相位控制环路优化研究

硅微谐振式加速度计(MSRA)凭借其潜在的高精度特点成为微加速度传感器领域的重点研究方向之一。相位环路的控制精度直接决定了MSRA的测量精度。在对MSRA工作机理进行简要分析的基础上,着重研究了现实验室加速度计样机的相位控制环路,分析了其相位误差的来源,并在原有环路滤波器的基础上增加了一种带参考电压的PI校正控制环节。实验结果表明,增加PI校正环节后,组成的四阶二型锁相环路可以使差分频率输出与温度线性拟合的相关系数从0.96291提高至0.98863,在±20 g量程围内,非线性度从430 ppm降低至154 ppm,硅微谐振式加速度计的零偏稳定性在常温下达到8.64μg。

硅微谐振加速度计的温度特性

硅微谐振加速度计以其小体积、低成本和高精度的频率信号输出,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。温度特性是影响硅微谐振加速度计精度水平的重要因素。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从结构设计方法、工艺流程加工和闭环控制回路方面分析了温度对零位和标度因数的影响因素,同时给出了相应解决措施。研制的硅微谐振加速度计基频约为17 kHz,标度因数约220 Hz/g,在-40～+70℃范围内,谐振频率的温度系数为-71.5×10-6/℃,标度因数的温度系数为-610×10-6/℃,样机在常温下谐振频率的相对稳定性为0.313×10-6,1.5 h零偏稳定性达到42.5μg。

基于FPGA的高精度硅微谐振加速度计数据采集与参数补偿系统设计与实现

硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。频率信号的高精度采集和系统参数补偿是提高硅微谐振加速度计性能的重要手段之一。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从双路差动频率信号的精确采集和系统误差参数补偿角度出发,分析了数据采集的原理,提出了一种高精度硅微谐振加速度计用数据采集与参数补偿方法。给出了设计思路和电路实现方法,讨论了误差来源与改进方法。所设计的数据采集系统针对中心频率18 k Hz.,标度因数400 Hz/g,量程±20g的加速度计,数据更新周期200 ms下频率分辨率为0.0005 Hz,等效加速度分辨率达到1.25μg。测试表明,补偿后的硅微谐振加速度计,在全温(-40^+70℃)内,K0温度系数从262μg/℃降低到29.9μg/℃,K1变化量从4.18%降低到2.04‰,全量程非线性从7.16‰降低到0.128‰,系统参数满足设计指标。

左右分布式高灵敏硅微谐振加速度计结构设计

提出了一种基于微杠杆原理的左右分布式低交叉耦合、高灵敏度的硅微谐振加速度计结构。该结构采用了一级微杠杆放大机构,左右双音叉谐振器和单质量块布局,实现了力放大和差动频率输出,具有结构简单、易于加工的特点,且两音叉谐振器间相互干扰小。首先,优化了设计参数,并进行了模态分析与谐响应分析。结果表明,左右谐振工作谐振频率分别为149.49 kHz和150.8 kHz,在该工作频率下X方向的最大位移远大于Y和Z方向（两个数量级以上）,表明工作模态具有优良的抗干扰能力。其次,在1 000g加速度载荷作用下进行了极限过载仿真。仿真结果表明,其最大应力为612.69 MPa,表明具有一定的抗冲击能力。最后,在±50g的设计量程内对结构的灵敏度进行了仿真分析。仿真结果表明,其灵敏度为160.51 Hz/g,验证了该设计的正确性。

硅微谐振加速度计的模态分析与实验

针对硅微谐振加速度计在进行结构设计时,如何根据模态特性选取工作模态这一问题,比较分析了加速度计工作在两种不同振动模态下的性能参数。首先采用刚度法分析了谐振器的振动特性,得出能够反映谐振器振动状态的两种模态即同相振动模态和反相振动模态,结合理论推导和仿真结果得出两种振动模态下谐振频率差值与标度因数差值呈线性关系;其次通过分析两种振动模态下的能量分布情况,得出两种振动模态下谐振器的品质因数与振梁振动幅值之间的关系,同相模态振动一个周期所消耗能量约为反相模态所消耗能量的2倍;最后通过评估硅微谐振加速度计的噪声,阐明了两种振动模态下部分噪声分量不同的原因并进行了实验验证。实验结果表明,在相同驱动电压下,同相模态相比反相模态总体噪声增大25.7%。该研究为设计硅微谐振式加速度计时,确定谐振器的振动模态及驱动方案提供了参考依据。