高性能MEMS电容压力传感器的设计及其热分析

为了进一步提高接触式电容压力传感器的性能,设计了一种高性能双凹槽结构的接触式电容压力传感器,并对该传感器在高温环境中的总体性能进行了分析。推导了热传导和热弹性理论,并对影响传感器热分析的各个因素与温度的依赖关系进行了描述;在整个分析过程中,使用ANSYS软件并结合有限元方法对全尺寸传感器的热效应进行模拟。结果表明,在接触工作状态双凹槽接触式电容压力传感器的温度对输入(压力)-输出(电容)特性的影响是线性的,且线性范围内初始压力随温度的升高而降低;当温度载荷为550 K时,双凹槽结构的灵敏度为1.21×10-6pF/Pa,比传统单凹槽的0.8×10-6pF/Pa高出50%,表明该压力传感器有着非常优异的高温特性。

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。

力平衡式三轴微加速度计的设计与分析

设计了一种具有单一检测质量的力平衡式三轴微加速度计．采用硅-硅键合工艺形成作为单一检测质量块的硅片组合,利用全差分电容检测法实现对加速度三轴分量的检测．通过提高检测质量的重心,有效增加了X、Y 轴的灵敏度．利用ANSYS仿真软件对该微加速度计进行了模态及静力学分析,提出了优化设计参数．3个检测模态 (1阶、2阶和3阶模态)的频率分别为1．329 kHz、1．345 kHz 和2．174 kHz．通过优化设计,提高了3阶模态和4阶模态的频率差距,降低了其他高阶模态的干扰．在100g(g为重力加速度)的Z向加速度作用下,悬臂梁所受的最大应力为46 MPa,小于单晶硅的弯曲极限值70-200 MPa．静力学分析表明,加速度计的悬臂梁结构参数能够满足加速度计的力学性能要求．

叉指式微加速度计的静电-机械耦合场分析

为了对微加速度计进行静电 -机械耦合场分析 ,利用ANSYS软件及它的编程语言APDL实现了有限元耦合场分析。作为实例 ,选择一种尺寸的叉指式微加速度计 ,分析了它的灵敏度 ,其结果同理论值基本一致。

高g值高频响微机械加速度计研究

针对侵彻武器测试过程中冲击过载大和频率范围宽的特点,提出了一种微机械电容式加速度计结构,结构中采用分布在整个芯片上的小电容阵列来代替位于中间的单个大电容器。利用ANSYS对加速度计进行了仿真分析,得出加速度计的固有频率超过600 kHz,抗过载能力超过200 000g,且电容变化量大,灵敏度高。文中还给出了加速度计芯片的加工工艺流程和接口电路。

电容式微加速度计开环模式的非线性模型

针对当前电容式微加速度计量程不高、开环模式非线性误差大的特点,根据力学理论和电路读出原理,并基于非线性特性中最大可测量加速度、初始工作点和吸合点与动定电极间距d的变化规律,提出了电容式微加速度计非线性模型.模型指出,随着输出电压的增加,可测量加速度近似成线性增加,在靠近最大可测量加速度αmax时斜率增大,其后随输出电压的增加而减小至吸合点;αmax由d和微结构梁弹性常数与质量之比λ决定,且d的作用优于λ;d在小于初始工作点时加速度计不能工作,该点由传感头参数η决定,且η的最佳取值范围为1×1019～2×1019,此时准静态条件下吸合点大于整个动电极行程的95%.该模型的提出对开环式加速度计的非线性误差纠正提供了理论支持,对加速度计的结构设计具有参考价值.

一种双轴电容式微机械加速度计

提出一种双轴电容式微机械加速度计的结构形式.采用一个质量块敏感两个正交方向的加速度,设计的弹性支撑结构巧妙地实现了正交方向的解耦,且结构稳定性好,以梳齿电容实现差动的静电驱动、电容检测.利用MATLAB软件对敏感结构参数、性能参数进行了计算、分析,用ANSYS仿真软件对敏感结构进行了静态和模态分析,从理论上验证了所提出的双轴电容式微机械加速度计整体结构的可行性.

振动测量用叉指式硅微加速度计性能研究

硅MEMS加速度仪可以用于地震以及各种工程振动的测量,目前其精度较低,温度灵敏度较高,为了掌握MEMS加速度计的特性,提高其实用性能,本文介绍了一种叉指式硅微机械加速度计(FMSA)表头微结构和系统的工作原理,推导了微结构梁的刚度,利用ANSYS有限元软件分析了FM-SA加速度计的静态特性、动态特性和温度特性,验证了推导的正确性,说明微结构参数是决定FMSA加速度计性能的主要因素,为改进加速度计性能提供了依据,并对其在振动观测领域实际应用提供了理论指导。

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。

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。