扭摆式高g值微机械加速度计的设计优化与冲击校准

设计实现了一种扭摆式高g值微机械加速度计。微结构采用十字形扭梁减小横向效应,摆片两侧使用梳齿结构作为止档和阻尼器,6个敏感单元并联的方式提高基础电容量。有限元仿真得到表头谐振频率约为56 k Hz,前两阶模态分离比大于4,高过载能力10万g,微结构灵敏度为8.94E-6p F/g,基于玻璃-硅(Silicon On Glass,SOG)工艺流片后单侧基础电容约为3.6 p F。分析了环形二极管电容检测电路的检测带宽问题,并设计了高g值加速度计的检测电路。搭建了霍普金森杆实验系统进行高g值的冲击校准,2万g范围内非线性度2%,5 V供电下标度因数约为24.5μV/g。

高g值加速度计恶劣环境下测试信号处理方法

针对国产高g值加速度计应用环境恶劣的问题,提出了一种使用阈值改进的小波变换处理加速度计输出信号的方法。加速度计主要应用在弹丸侵彻及火炮膛内参数测试等恶劣环境下,测试信号受到干扰较大,需对其进行降噪处理。本文根据加速度计测试信号的特点对小波降噪阈值函数进行修改,提出了一种新的小波降噪阈值函数;其降噪效果优于小波变换原有阈值函数,对加速度计信号的处理有着明显的优势。为验证本文所提数据处理方法的效果,设计相关实验进行分析并采用计算信噪比及均方差的方法对其进行验证。结果表明,新的方法对于高g值加速度计测试信号的降噪取得了更好的效果。

高g值压阻式加速度计设计与仿真

研究了一种具有高灵敏度、小尺寸的四端梁结构的压阻式加速度计。利用有限元软件对不同悬臂梁、质量块尺寸的结构建立模型,并对该结构进行了灵敏度与应力分析、模态分析,以及动态响应分析。仿真研究结果表明,在50 kg量程内,传感器轴向灵敏度达到7.40μV/g,横向灵敏度为0.33%,线性度为0.06%,响应时间为20.3μs,固有频率为111.2 kHz。抗冲击性能能达到334000 g,可以满足高g值环境下的测试需求,同时该研究为研制高性能传感器提供了一种准确且高效的仿真方法。

多梁凹槽高g值加速度计的设计与分析

针对目前航空航天、车辆碰撞分析等领域对高g值加速度计的迫切需求,设计了一种新型多梁凹槽压阻式加速度计,该加速度计利用变截面梁作为敏感梁来放大质量块的等效惯性力,并通过辅助梁与背面凹槽的组合有效提高结构刚度,实现了高灵敏度输出和良好的频宽特性。建立了加速度计的力学模型,并通过ANSYS有限元软件仿真分析,优化获得了加速度计的结构和尺寸。利用敏感梁表面路径,分析总结其应力分布规律,确定压敏电阻位置。仿真实验结果表明,设计出的该加速度计量程为150000 g,灵敏度为1.32μV/g,固有频率约为268 kHz。最后基于SOI技术设计了加速度计的工艺流程。

高g值微机械加速度传感器的现状与发展

本文对用于侵彻武器和爆炸现场测量的高g值加速度传感器进行了四顾与展望。重点介绍了采用微机械工艺的高g值微加速度传感器。首先分析了目前几种新型压阻式和电容式高g值硅微机械加速度传感器的基本工作原理,主要技术指标和敏感元件的结构特点,讨论了几种用于制作高g值微加速度传感器的新型材料和工艺。最后总结了高g值微机械加速度传感器未来的发展趋势。

分布式质量块结构高g值加速度传感器仿真分析

针对航空航天、机电、石油等领域的高g值加速度监测需求,设计了一种分布式质量块结构的压阻式加速度传感器。运用敏感性分析和响应面方法对敏感结构模型优化,同时提升结构的固有频率和灵敏度;研究所构建模型在不同方向加速度作用下的应力分布特点,设计抗交叉干扰的传感器信号检测电路;分析结构的加工流程及封装工艺,有利于下一步制造应用。仿真结果表明:该传感器的量程为100000 g,灵敏度为2.18μV/g,一阶固有频率为157.82 kHz,理论上消除了横向交叉干扰,有效提升了传感器的性能。

高g值加速度计的设计与冲击特性分析

针对特殊场合的测试需求,设计了四端全固支的高过载梁岛结构加速度计;利用Hopkinson杆冲击校准装置对该加速度计的动态特性进行了测试。测试结果表明,传感器的灵敏度为1.2μV/g,线性度5%左右;结构受到2×105g冲击后完好且输出信号正常,能有效满足高冲击、强烈振动场合的特殊测试要求,可以应用于侵彻系统。

电容式高过载微机械加速度计的设计与实验

针对某些高过载应用场合对微机械加速度计抗冲击能力的要求,设计了一种三轴向抗冲击的梳齿电容式闭环微机械加速度计。通过分析带止档的闭环加速度计冲击响应过程,提出在敏感方向使用悬臂梳齿结构作为柔性缓冲止档可以缓冲冲击过程中微结构间的接触碰撞;在非敏感方向采用结构模态和阻尼分离的设计可减小冲击变形,耗散冲击能量。马歇特锤冲击实验表明,该加速度计能够分别承受3个轴向幅值为13 200g,脉宽约102μs的的加速度冲击,冲击前后偏置漂移在5mV以内。该闭环加速度计在±10g的非线性优于500×10-6,1.5h偏置稳定性为0.27mg。设计的样机基本满足高过载环境下惯性测量的要求。

灌封对高量程微机械加速度计封装的影响

灌封是高量程微机械加速度计实用化的一个关键步骤。文中根据自制的一种压阻式高量程micro electro me chanicalsystem(MEMS)加速度计芯片及一种实用的封装结构 ,对其有限元模型进行模态分析和高g值加速度载荷下的响应分析。封装结构的模态频率随着灌封胶弹性模量的增大而增大。但弹性模量过小时 ,模态频率反而比未灌封时低 ,可能会干扰输出信号。对器件加载 10万g加速度表明 ,器件的模拟输出电压值随着灌封胶弹性模量或密度的增加而缓慢减小。模拟输出电压值与解析解很接近。

灌封胶对高量程微机械加速度计封装的影响

封装是高量程微机械加速度传感器高可靠性的重要保障,而灌封工艺是高量程微机械加速度传感器封装流程中一个非常重要的环节,对实现加速度传感器产业化具有重要的影响。根据一种自制的、量程为XX的压阻式高量程微机械加速度传感器的封装模式,利用有限元分析(FEA)方法建立加速度传感器的封装模型,基于FEA方法分析了灌封热应力及灌封工艺对加速度传感器性能的影响。分析结果表明:灌封胶的热膨胀系数和弹性模量是影响封装热应力的主要因素,而灌封胶的密度与封装热应力无关;灌封胶弹性模量及密度的变化对加速度传感器输出信号的影响很微弱,可以忽略不计。

基于介观压阻效应的高g值加速度计设计

依据介观压阻效应原理,设计出一种以超晶格量子阱薄膜为敏感单元的高g值纳机电加速度计,期望利用超晶格量子阱薄膜的高灵敏特性,提高加速度计的灵敏度。结合GaAs基表面微机械加工工艺和控制孔技术完成了加速度计的加工。采用马歇特冲击的方法完成了加速度计的测试,并利用冲击响应谱分析了微加速度计在有外部冲击情况下的响应,研究结果表明:依据介观压阻效应原理和MEMS技术制作高g值纳机电加速度计具有可行性,从测试结果可以看出该微加速度计不但冲击响应信号与标准加速度计所测信号很接近,而且它们的响应一致性较好。

高g值加速度计动态校准的实现方法

针对高g值加速度计动态校准要求激励信号的频率大于加速度计谐振频率的需要,采用小型Hopkinson杆和激光干涉仪构成动态校准系统,对某型高g值加速度传感器进行了校准实验。结果表明:该系统能产生脉宽10滋s以下的窄脉冲加速度激励信号,对一阶谐振频率大于100 k Hz的高g值加速度计可以实现动态校准。

一种电容式高量程微机械加速度计的设计分析

针对特殊场合的高g值加速度测试需求,提出了一种叉齿电容式高量程微机械加速度计的结构形式,采用面内敏感的变面积差动电容变化方式,并针对传感器固有频率、横向效应、量程和加速度灵敏度进行了设计分析。仿真结果表明：该加速度计量程200 000 g,固有频率266.2 k Hz,模态分离比大于2.5,0~10 k Hz通频带内加速度分辨率优于60 g.基于硅-玻璃微机械工艺进行了加速度计微结构的流片加工、镜检测试和传感器的初步冲击实验验证。相比已有的高量程微机械加速度计,该设计具有线性度好、横向效应小、加速度灵敏度高和抗高过载能力强等特点。

高g值加速度计宽脉冲冲击校准准则

针对高g值加速度计冲击灵敏度绝对法校准中遇到的激励脉冲的宽度问题,以加速度计数学模型为基础,导出了适用于高g值加速度计冲击灵敏度校准的宽脉冲校准准则。该准则给出了对不同谐振频率的高g值加速度计的冲击灵敏度进行校准时,校准所需的激励宽脉冲的最小宽度与加速度计第一阶安装谐振频率、阻尼比及校准误差的关系。以Hopkinson杆校准系统为试验手段,通过988型高g值压电加速度计和SIMIT-AYZ-3型高g值压阻加速度计的校准试验数据验证了准则的正确性。该准则为高g值加速度计冲击灵敏度校准时激励脉冲宽度的确定提供了理论依据。

压阻式高g值加速度传感器温度补偿设计

该文针对压阻式传感器在环境温度变化时会引起灵敏度非线性问题,提出了一种在惠斯通电桥中引入多晶硅的温度补偿方案。以单晶硅制备的高g值压阻式加速度计为模型,通过建立理论模型,分析了单晶硅压敏电阻的电阻率和压阻系数的温度特性。对传感器进行有限元仿真分析,仿真结果表明一阶频率为0.776 MHz,最大等效应力为44 MHz。通过对压敏电阻路径的线性分析,得到补偿前的灵敏度为0.349μV/g。对多晶硅电阻引入前后的输出电压进行理论分析,得到电阻系数比以及补偿前后传感器灵敏度随温度的变化关系。结果表明,补偿后的灵敏度漂移温度系数(Temperature Coefficient of Sensitivity drift,TCS)为6.8×10^(-4)(1/℃),与补偿前相比降低了两个数量级。

异形子弹校准高g值加速度计的数值模拟

高g值加速度计是MEMS技术应用于高速撞击/冲击过程中冲击载荷测量的关键之一,现今主要采用微型霍普金森压杆技术对高g值加速度计进行动态校准。该技术中应力波的整形方法主要有采用波形整形器与改变冲击子弹形状两种。采用有限元分析软件ABAQUS对采用异形子弹获得的加载波形及压杆自由端上的加速度信号进行数值模拟研究。模拟结果表明:柱锥形子弹锥高与应力波峰值、下降沿时及加速度峰值成负相关,其应力波形均为类正弦波;而圆锥形子弹锥高与应力波峰值、下降沿时及加速度峰值成负相关,且锥高越小应力波型越趋于类正弦波;子弹的质量与应力波峰值、加速度值成正相关。

高g值压阻加速度计动态特性与阻尼的关系研究

为了避免高g值压阻加速度计在工作过程中出现结构易损坏、响应信号精准度低的问题,需要在设计过程中合理调整阻尼参数。基于高g值传感器固有频率高、上升时间短两个特性,通过建模仿真从时域和频域两方面分析了阻尼对传感器动态响应特性的影响。得出阻尼比范围在0.10～0.25时高g值压阻加速度计动态特性较好,并通过实验验证了仿真分析的正确性,为设计过程中阻尼参数的调整提供了重要依据。

阻尼对压阻式高g值加速度计动态特性的影响

针对动态校准过程中,压阻式高g值加速度计出现动态特性欠佳的情况,用实例与建模仿真相结合的方法,分析了阻尼对压阻式高g值加速度计动态特性的影响,得出若加速度计内部阻尼设计过小,则传感器动态特性差。仿真表明:合理调整阻尼比范围在0.1～0.25时,传感器动态特性较好,时域内响应信号上升时间快、幅值误差小、衰减速率快,频域内谐振分量少。实验表明:该影响确实存在,阻尼比满足要求的传感器具有较好的动态特性。

基于矢量分解的三轴高g值加速度计灵敏度系数校准方法

为产生同步可计量的三轴加速度过载脉冲,实现对三轴高g值加速度计灵敏度系数的校准,对Hopkinson杆原理中的一维标准杆端面斜面设计,将三轴加速度计置于斜面上。基于理论分析、有限元分析软件Abaqus,数值仿真计算了加速度计灵敏度系数,并进行了试验验证。结果表明:采用一维标准杆的斜端面设计,容易实现三轴高g值加速度计灵敏度系数校准,三轴加载脉冲物理同步化以及轴间解耦;对三轴加速度计与标准杆过渡关系研究,通过优化设计,可以实现高g值加速计三轴不同幅值的灵活校准;不同斜面角度以及加速度计安装角度会引起矢量分解变化,对脉冲构型产生影响,最优的斜面角度是45°;通过对标准杆单轴加载,以及斜端面的矢量分解原理,可以实现对三轴高g值加速度计灵敏度系数的动态校准。

高g值加速度计动态线性度标定方法研究

针对高g值加速度计动态线性度标定问题,对基于霍普金森杆的标定系统所存在的技术问题进行了研究。为实现双子弹同步撞击标定杆从而产生标定所需的叠加信号,提出了单一炮管同步发射双子弹的方法,利用防止内外2发子弹相互滑动的紧固措施,有效地实现了双子弹撞击的同步性。运用有限元方法系统研究了子弹几何形状、材料、冲击速度和整形器的使用对高g值加速度计标定中的激励脉冲波形的影响机制,进而总结出双子弹标定系统子弹选择和波形控制方法。结果表明:在双子弹标定系统中,为了对加速度计进行某一频带上的动态线性度标定,可通过改变双子弹相对截面积或冲击速度的方式改变g值,通过改变子弹材料的方式改变标定频带。最后,利用提出的单炮管双子弹霍普金森杆标定系统对988-1198型加速度计的动态线性度进行实测,效果良好,证明了该方法的可行性。