静电刚度式谐振微加速度计的结构设计和制造

基于静电刚度的谐振式微加速度计能通过加载电压来调节灵敏度,减少了灵敏度对结构工艺误差的依赖性。根据单梁谐振加速度计的动力学原理,确定了输出频率与各活动结构位移的非线性关系。对于输出频率与加速度的复杂非线性求解问题,提出在谐振梁刚度远大于折叠梁刚度条件下,可以有效的得到二者的解析关系式,为结构设计提供了约束条件。对于差分结构,推导了面内低阶模态方程,提出应减少音叉梁连接端的刚度系数来减少工艺误差造成的模态扰动误差。采用ICP干法体硅工艺,在很少的工艺步骤下能实现高深宽比结构的流片。实验测试发现结构完整可动,但存在同频干扰问题,提出了高频调制开关解调的信号处理办法。理论分析和实验测试为设计新型谐振式微加速度计提供了依据。

基于误差灵敏度的静电刚度式谐振微加速度计频率鲁棒性设计

运用误差灵敏度分析理论对静电刚度式谐振微加速度计在工艺误差下的初始谐振频率进行鲁棒性设计,通过解析法建立频率鲁棒条件下的机电耦合参数关系,指出合理的机械结构尺寸关系与合理的静电场电压调节都可以提高加速度计的频率鲁棒性,从而大大地降低结构设计难度与工艺加工要求;根据静电刚度式谐振微加速度计的刚度耦合特性及微加工工艺的不成熟性,频率的鲁棒性是通过驱动电路电压调节来实现的,从而说明了在微电子机械系统中,由工艺误差所引起的器件性能波动可以通过适当的电路调节进行补偿;运用硅微键合工艺与深反应离子刻蚀技术加工出加速度计的谐振器结构,将结构尺寸代入参数关系式中,得出保证频率鲁棒性的外加检测电压为1.37V。

静电刚度式谐振微加速度计设计

运用梁的横向振动特性分析了梁振动频率与平行板电容形成的静电刚度的关系,并以此设计了静电刚度式谐振微加速度计。在加速度作用下,检测质量产生的惯性力使电容器极板发生位移来改变电容结构的间隙大小,从而使谐振频率发生变化,通过检测频率变化量来测量输入加速度的大小。根据加速度计的工作原理说明检测过程中梁的机械刚度保持不变,只与产生静电刚度的电容间隙变化相关,减小了检测信号对机械误差与残余应力的依赖性。运用加工参数进行理论计算得出加速度计的灵敏度为21.17Hz/gn,在CoventorWare2005中进行仿真表明:加速度计的固有频率为23.94 kHz,灵敏度约为20Hz/gn,与理论设计值相近。

静电刚度式谐振微加速度传感器的结构稳定性

为了研究静电刚度式谐振微加速度传感器结构稳定的判据和影响其稳定性的因素,根据静电刚度式谐振微加速度传感器的结构原理,分析了传感器中质量块与音叉梁的运动和受力特点,建立了传感器中质量块与音叉梁在加速度作用前后的力平衡方程。采用数值方法求解力平衡方程,得到了传感器结构的一个稳定平衡点和一个非稳定平衡点,以及两个平衡点重合时对应的结构稳定临界检测电压,分析了加速度作用前后不同质量块支撑梁弹性系数和平行板检测电容间隙对临界检测电压的影响。结果显示,临界检测电压随质量快支撑梁弹性系数和平行板检测电容间隙的增大而增加。当有加速度作用时,临界检测电压将发生变化,但对量程为-1~1g的超低量程加速度传感器,加速度作用前后临界检测电压变化很小,不会引起传感器结构稳定性太大的变化。

谐振式微加速度计静电刚度应用分析及实验

静电负刚度能够调谐微机械振梁的谐振频率,但静电负刚度过大会带来谐振梁的稳定性和可靠性问题。文中介绍了静电负刚度效应在谐振加速度计中的应用,并在刚度和质量比约束条件下,推导出输出谐振频率与加载直流检测电压的非线性关系,分析传感器灵敏度、量程与直流检测电压的非线性耦合关系。流片微结构并封装开环测试表明,不同的直流检测电压对应谐振频率存在非线性静电负刚度效应,在加速度为-1g、0g、1g 3种条件下,谐振频率非线性减小,灵敏度和量程关于检测电压交叉耦合,大的检测电压和加速度会导致微机构不稳定和失效。

基于静电刚度的微米光栅加速度计灵敏度特性分析

静电驱动是实现微米光栅加速度计小型化和闭环力反馈控制的关键,其引入的静电刚度对加速度计灵敏度有着重要影响。对基于静电刚度的微米光栅加速度计灵敏度特性进行分析。首先,建立了基于静电刚度的微米光栅加速度计灵敏度模型。其次,通过MATLBA仿真,得到静电驱动电压与传感器灵敏度的理论关系。最后,对理论分析结果进行了实验验证,结果表明静电刚度可以改善系统刚度,静电电压从1.25V到2.05V等间隔变化时,加速度计的灵敏度由871mV/g变化为1148mV/g,分别相对于禾加电时的灵敏度783mV/g提高了0.46dB到1.66dB,提高了微米光栅加速度计的灵敏度。本文研究内容对集成式闭环微米光栅加速度计的研究提供参考。

静电负刚度调谐加速度计的力平衡闭环检测控制方法

静电负刚度调谐加速度计(EFMA)在设计原理上具有兼顾电容式加速度计和谐振式加速度计相关优点的潜力。然而由于静电刚度对应的极板位移具有明显的非线性效应,使得EFMA在大量程应用中标度因数非线性较差,成为了当前制约EFMA量程提升的重要因素。基于EFMA频率输出的特点,推导了力平衡控制量并开展了力平衡控制环路的设计与研究;结合EFMA敏感器件完成实验室样机的调试与性能测试,对比了有、无力平衡闭环检测电路的量程与标度因数非线性,在保证EFMA零偏稳定性、标度因数稳定性不受影响的情况下将其标度因数从5 Hz/g提升到了24.5 Hz/g,量程从±1 g提升到了±25 g,结果验证了基于频率检测的力平衡闭环检测控制方法的可行性和优越性。

静电负刚度微机电加速度计的两种检测模式分析

为了探索能大幅提高灵敏度的全新检测模式,针对频率检测和模态局部化检测两种检测模式的静电负刚度微机电加速度计,进行了原理分析和仿真比较。通过分析两种检测模式下加速度计的敏感、检测原理,推导出其振动方程和检测信号的理想模型。研究发现系统的耦合系数和静电力是影响灵敏度与线性度的关键因素,并对此进行了有限元仿真与分析。仿真分析结果表明基于模态局部化检测的加速度计灵敏度为4.8/g,相对灵敏度为3800000 ppm,与传统频率检测方式相比相对灵敏度提高了三个数量级。同时耦合系数与模态局部化检测的加速度计相对灵敏度呈负相关增长趋势;静电力与两者相对灵敏度呈正相关趋势。针对两种检测方式的比较和影响两种检测模式性能因素的研究,对未来提高加速度计性能和结构设计提供一定的理论支持。

静电负刚度谐振式加速度计的非线性振动特性研究

为了进一步探究微机电系统(MEMS)传感器领域中静电力对非线性振动的影响,以静电负刚度谐振式加速度计(ENSRA)为研究对象进行动力学建模和实验分析。基于哈密顿原理建立了ENSRA机电耦合的非线性振动动力学模型,分析了其高阶非线性刚度的来源,并结合实验现象探究了MEMS传感器中静电力对器件非线性振动的影响,得到了驱动力与静电力对高阶非线性刚度的一般关系。经过开环扫频实验表明,当驱动力从100mV降低到60mV时,非线性振动优化了49%,当调谐电压从10V降低到6V时,非线性振动优化了44%,输出非线性降低了将近4个数量级,器件整体性能大幅提升,有效改善了二阶非线性刚度项导致的谐振器刚度软化和谐振峰的左偏现象。

MEMS环形陀螺模态间刚度耦合频率调谐

MEMS陀螺结构的驱动和检测模态谐振频率差(Δf)是决定其机械灵敏度的主要因素,当Δf≈0时,陀螺处于频率调谐状态,此时陀螺的机械灵敏度达到最大值。本文针对一种电容式全对称S形弹性梁硅基环形波动陀螺,对其使用调频电压进行频率调谐过程中发现,模态间存在一定的刚度耦合。本文分析其模态间刚度耦合产生的原因是结构误差(环形谐振子的结构误差主要体现在两个振动参数,一个是频率,另一个是阻尼),由于调频电压改变的主要参数是刚度系数,所以本文仅对频率误差进行建模分析。首先,介绍了环形陀螺结构,同时以此结构为基础分析了静电负刚度原理。其次,分析了其频率误差产生的原因,并建模推导出调频电压对两个工作模态产生的影响。最后,结合理论模型和实验结果比对,验证理论推导的正确性,并通过实验验证频率调谐状态下对环形陀螺的灵敏度提升了2.7倍。

一种分时差分的频率调制MEMS加速度计

为提升MEMS加速度计温度适应性,设计了频率调制和分时差分方法。基于静电刚度效应,将敏感质量块因加速度产生的位移变化调制成谐振频率的变化,兼顾了位移检测的温度系数较低与谐振频率检测不易受电路噪声干扰的优点,且采用单个谐振器在时间上通过刚度切换进行分时差分,从而降低零偏随温度的漂移。通过实验测得,在10 V调谐电压下,加速度计室温下的零偏稳定性为76.79μg。-40℃~60℃全温范围内经过分时差分后得到的频差全温变化量为-0.072 Hz,相较于单个刚度状态下的谐振频率变化约7.7 Hz,减小了约99%,验证了静电刚度频率调制和分时差分的有效性。

力平衡加速度计的刚度耦合特性

通过分析力平衡加速度计的工作原理,运用解析法推导出输入惯性力与质量块位移的关系,指出加速度计的工作过程包括刚度"刚化"与刚度"软化"2种状态,有别于开环加速度计仅涉及刚度"软化"状态。以质量块位移的静电刚度与机械刚度之比作为结构的刚度耦合值,分析表明:加速度计的"刚化"与"软化"的分界点是耦合值为零的位置,而"正"刚度与"负"刚度的分界点是耦合值为-1的位置。耦合曲线的尖锐程度反映了质量块的允许位移大小和耦合的非线性度,刚度耦合的幅值越大,耦合曲线越尖锐,非线性度越大,质量块允许位移反而越小。

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。

谐振式微加速度计及其频率测量电路设计与实验

微机械谐振式加速度计具有抗干扰性强、功耗小、可批量生产等优势,但微机械谐振式加速度计的谐振基频和灵敏度都较小,接口测频电路频率分辨率要求高。论文介绍了静电刚度谐振式加速度计的工作原理,并流片封装和开环测试获得了加速度计的谐振频率和品质因数。针对频率检测需求,设计了基于FPGA的高精度频率测量电路(绝对频率误差小于0.1 mHz),实验测试表明加速度计在1000 s内最大频率漂移达到10 mHz,设计的加速度计单振梁灵敏度为109.5 Hz/g,难以实现100μg的分辨率,后续需关注微机械谐振式加速度计的频率漂移抑制问题。

惯性导航传感器环形陀螺仪的正交误差仿真分析

针对惯性导航传感器的正交误差校正无法获取结构参数相关信息的问题,设计出一种基于COMSOL Multiphysics平台的结构有限元仿真模型。该模型算法结合传感器结构尺寸,利用分层次模块化仿真方法构建模型,优化了计算周期,得出环形陀螺仪误差修正过程中结构参数的变化趋势。在此基础上,从仿真和实验两条路线验证了静电负刚度原理中外加直流电压与模态主轴方位角的线性关系,进而说明所建立模型的正确性。

基于激励-校准法的硅微陀螺仪模态匹配控制电路研究

提出了一种基于激励-校准法的硅微陀螺仪实时模态匹配控制电路,利用了检测模态的幅度响应信号关于其谐振频率对称的特点,采用双边激励信号激励检测模态,通过比较双边信号的响应幅度大小来获得相应的调谐电压,实现模态匹配。介绍了静电负刚度调谐原理;然后设计了基于激励-校准法的硅微陀螺仪实时模态匹配控制方案,并分析了该法的误差来源;在Simulink环境下搭建了模态匹配控制电路模型,验证了该方案的可行性;最后,设计了基于FPGA的自动模态匹配控制电路。实验结果表明,相比于模态不匹配情况,模态匹配后的陀螺仪零偏稳定性系数由1.69°/h降低到0.42°/h,静态性能提升了4.02倍;角度随机游走系数由槡0.046°/h降低到槡0.019 5°/h,静态性能提升了2.36倍。

一种高g电容加速度计的设计

本文分析了电容式加速度传感器的工作原理,在此基础上设计了一种大量程加速度计,通过MATLAB进行系统仿真和ANSYS仿真验证,结果显示本设计可以很好的实现要求:量程70g,线性度小于2%,并有较好的稳定性。

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。

基于硅微谐振器的高稳定性MEMS压控振荡器

为了实现高品质因数及低相位噪声的压控振荡器,结合硅微谐振器的静电负刚度效应,利用基于锁相环的谐振器闭环驱动检测电路搭建了微机电系统压控振荡器(MEMS VCO)。根据各模块传递函数建立了该控制系统数学模型,利用平均法得到了系统稳态平衡点与稳定性判据,并通过理论推导与仿真实验对系统稳定性进行了分析,给出了保持系统稳定的参数调整策略。同时利用开环及闭环实验方法对该MEMS VCO系统传递函数进行了测试与拟合,并分析了误差产生的原因。最后实验表明,上述MEMS VCO系统的频率稳定性可以达到64.29 ppb。