仿虾螯式抗冲击微加速度传感器设计

针对外弹道信息测量过程中,低量程微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)加速度传感器在上万g_n过载环境下的损坏问题,提出了一种仿虾螯式抗冲击微加速度传感器,可以实现抗过载30000g_n、量程50g_n的指标要求。有限元仿真结果表明,在50g_n载荷作用下,加速度计敏感单元位移为0.99μm,灵敏度为0.124 pF/g_n;引入仿虾螯式抗冲击缓冲结构的加速度传感器在30000g_n过载作用下承受的等效应力的最大值从1022.5 MPa降低至84.326 MPa,有效地提高了该传感器件的可靠性。

一种用于MEMS加速度计温度性能提升的双质量全差分结构

微电子机械系统(MEMS)加速度计作为应力敏感器件,很容易受到外界应力的影响,尤其是对温度应力非常敏感,MEMS加速度计的温度性能成为了制约加速度计性能提升的关键因素。为了提高MEMS加速度计的温度性能,减小温度漂移,提出了一种新型的双质量、全差分MEMS敏感结构方案。通过双质量的差分效果,可以将外界温度变化引起的变形差分掉,从而降低加速度计的温度系数,提高温度性能。利用有限元仿真的手段,优化双质量结构的布局,验证加速度计的温度漂移结果。实验结果表明,加速度计温度性能得到了有效提升。

一种差分杠杆结构的硅微谐振加速度计设计与实现

硅微谐振加速度计是一种测量载体运动加速度的微机电惯性仪表,是地震勘探应用领域的重要工具之一。现有加速度计标度因数普遍偏低,直接影响所在地震检波器系统的分辨率。文中设计一种差分杠杆结构的硅微谐振加速度计,利用微杠杆结构放大质量块的惯性力,以提高标度因数指标,为地震勘探领域硅微谐振加速计设计提供参考。

(100)面硅片各向异性腐蚀中的凸角补偿方式

为了避免微加速度计在加工过程中,由于湿法腐蚀的各向异性而造成的凸角处产生削角现象,必须根据各个晶向的腐蚀快慢特性和腐蚀深度的要求,在腐蚀开始前设计好补偿的掩膜图形,使之在特定的腐蚀时间后显现出理想的凸角形状.以一种梁-质量块结构的加速度计为模型,为了在加工过程中,得到完整的质量块结构,使结构具有更好的对称性,对各种凸角补偿方式进行了研究.利用(100)面硅片各向腐蚀速率的快慢特性和一定的几何知识,计算出各种凸角补偿方式最佳的补偿几何尺寸模型.这样,在设计加速度计制造工艺时,就可以直接利用这些尺寸模型,得到最佳的结构.

力平衡框架结构加速度计的设计

本文提出了一种基于ICP刻蚀以及静电键合工艺的新型微机械加速度计结构,并通过MATLAB软件对该加速度计系统进行了仿真.这种框架结构可以有效地增大结构静态电容,以便在闭环工作时能产生更大的静电力.它的整体尺寸为2800μm×3000μm×60μm,结构惯性质量为0.14mgn,静态电容为3.618pF,抗过载能力超过5000gn.通过系统仿真,该加速度计的电压灵敏度为90mv/gn,量程为±50gn,系统带宽是10kHz.

孔缝双桥结构高性能压阻式加速度传感器

针对装备智能化与监测系统无线化发展对振动传感器的要求,基于微机电系统和应力集中技术,提出并研制一种具有孔缝双桥结构的高灵敏度、高固有频率的压阻式微型加速度传感器。结合理论分析与数值计算方法,分析该结构的特性,通过研究孔缝尺寸对传感器性能的影响确定传感器敏感结构尺寸。传感器芯片采用微细加工工艺制作,并在简单的封装之后进行静态、动态性能测试。试验结果表明,孔缝双桥结构加速度传感器在3 V供电电压下,灵敏度可达到0.424 mV/g,相对传统双桥结构提高了60%以上,而测得的固有频率相对于传统双桥结构仅略有下降,仍在10 kHz以上。孔缝双桥结构加速度计通过引入应力集中孔缝,以较小的固有频率损失,明显提高了传感器的测量灵敏度,具有更为优良的综合性能。

MEMS电容式加速度计的动态特性分析

针对梳齿电容形式的微机械加速度计,对其工作原理和动态性能进行了分析。该微结构的质量块由4个折叠梁支撑,采用梳齿结构形成差分检测电容用于检测质量块的位移。通过理论推导得到了结构的质量、刚度和阻尼的计算公式。组成梳齿结构的两平行极板间的气体在极板运动时产生两种作用力:阻尼力和弹性力,运动频率较低时阻尼力为主要表现形式,高频时弹性力则占主要因素。针对一组特定的结构参数,对气体压强分别为100Pa和0.1MPa时微机械加速度计的频率响应特性进行了分析,当气体压强太小时,会造成系统带宽的降低,而当气体压强较高时,系统的动态特性表现良好,并在电容极板间隙约为3μm时,系统的动态特性达到最优。

HEMT微加速度计的结构优化设计

为满足HEMT微加速度计的高结构灵敏度和输出灵敏度的要求,对微加速度计的弹性结构进行了优化设计,得到一种全新的微加速度计折梁结构。利用ANSYS有限元分析软件对加速度计原结构和新结构进行仿真,通过计算和分析比较,结果表明:优化后加速度计结构合理,满足设计目标,新结构的结构灵敏度提高了1个数量级,输出灵敏度比之前增大了3倍。

微加速度计在冲击环境下的力学分析与仿真

微加速度计用于测量载体的加速度,并提供相关的速度和位移信息。该文主要对一种硅基压阻式高加速度g(g=9.8m/s2)值微加速度计在冲击加速度环境下进行有限元仿真分析。分析结果表明,所设计的压阻式高g值微加速度传感器在15×104 g量程内可正常并有效工作,且可承受40×104 g高速冲击,当加速度超过40.8×104 g时,加速度计发生失效变形。分析了加速度计在冲击环境下的主要失效模式及失效机理,得出了压阻式加速度计在冲击环境下的失效主要从梁与边框和质量块连接处开始,随着冲击时间(即冲击强度)的增加,结构应力逐渐达到屈服极限,材料发生屈服效应,然后发生断裂。

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。

一种硅梁谐振加速度计结构设计与模拟分析

为了提高谐振加速度计的灵敏度以及稳定性,提出一种基于微杠杆力学放大机构的硅梁谐振式加速度计结构,并对其进行了有限元模拟分析。该加速度计由两个静电激励电容检测的硅谐振梁组成差分输出,采用硅深刻蚀以及硅玻璃阳极键合等体硅工艺制作。模拟结果表明新结构提高了加速度计灵敏度,有效改善了交叉灵敏度、线性度、温度稳定性等。

高速旋转弹载加速度计失效分析

弹载微加速度计在使用过程中会因旋转弹丸的高速旋转而受到高速旋转环境应力的影响。针对微加速度计在弹载高速旋转环境下的失效分析缺乏理论依据等情况,提出一种通过研究离心力对微加速度计结构影响的方法。利用ANSYS有限元分析软件仿真模拟微加速度计封装结构在高速旋转环境下的受力情况,并进行分析。通过ANSYS有限元分析设计出的微加速度计得到,该微加速度计在弹载高速旋转环境下的失效模式只会发生疲劳失效与磨损失效,并不会引起过度的粘附失效与断裂失效,并且具体的失效影响受到离心应力与结构角度的影响。

三明治结构大量程MEMS惯性伺服加速度计研究

良好稳定性和大量程设计一直是困扰微惯性加速度计研制的两个难题,文中对影响微加速度计稳定性的主要因素(外置偏压和横向加速度干扰)进行了详细分析,对加速度计各参数对量程的本质影响及其相互关系进行了研究,理论分析和计算机仿真结果表明:根据给出的四梁中心悬臂结构,在典型结构参数下,惯性敏感单元可承受的最大横向加速度达 2 000g 以上,采取质量块减薄和打孔并用的方法可以保证加速度计具有 70 g 以上量程。

面向布气均匀性的竖直式喷淋头布气系统优化设计

竖直式喷淋头布气系统在半导体工艺腔室类设备中广为采用,其布气均匀性是决定半导体工艺均匀性的关键因素之一。以布气均匀性为驱动,对竖直式喷淋头布气系统进行优化设计。在优化策略设计中为解决传统参数优化方法优化喷淋头多孔板面时需要预先确定拓扑结构、人为缩小参数空间造成系统分辨率低的问题,提出描述喷淋头多孔板面等效阻抗模型,将喷淋头板面小孔结构和布局的优化问题转换为喷淋头板面对气体流动的阻抗特性优化问题,进而建立了高分辨率的喷淋头板面阻抗分布优化模型。优化的喷淋头板面阻抗分布使得喷淋头的布气不均匀性（在N2质量流量1.041 7×10^–4 kg/s、腔室压力266Pa典型工艺条件下）由0.36%降低至0.03%。采用CFD数值试验对优化的竖直式喷淋头布气系统在入口气体质量流量6.250 0×10^–5-1.666 7×10^–4 kg/s、腔室压力133-665 Pa的工艺范围内进行测试,结果表明：优化的喷淋头系统布气效果均优于对照的喷淋头系统,其布气不均匀性均好于0.35%。针对喷淋头板面小孔布局及结构,列举3种拓扑调整方案,并根据阻抗优化结果给出对应的优化的几何配置实例。

复合量程加速度计在炮射导弹中的研究及应用

针对炮射导弹在发射、飞行时的特殊环境,安装多个传感器所产生的测量信号位置误差等问题,设计研究了复合量程微加速度计。对其内部结构及外围的温度补偿电路进行分析。通过仿真得出复合量程微加速度计的外壳结构可以承受20 000 g的冲击,并用实验验证复合量程微加速度计适合测量炮射导弹发射时的冲击测量。在炮射导弹上具有良好的应用价值。

硅三明治型微机械加速度计温度漂移与敏感结构热膨胀关系研究

针对硅基三明治型微加速度计的温度漂移现象，基于力学和热学原理，分析了微加速度计敏感部分关键结构弹性梁、敏感质量块在温度升高时的热膨胀与力学平衡关系变化。结合微加速度计的闭环反馈工作方式，导出了其输出改变，指出由于弹性梁、敏感质量块在温度升高时热膨胀引起的输出变化小于0．002gn／10℃，同时，实验表明微加速度计输出随温度的变化为（0．1～0．2）gn／10℃。两者对比的结果显示，由于温度变化而引起的敏感结构热膨胀导致的输出改变不是微加速度计产生温度漂移的主导原因，研究结果为三明治型微加速度计稳定性与漂移的进一步研究提供了参考。

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。

基于镜像结构光子晶体的微加速度计设计

镜像结构光子晶体能够在一定范围的频带内形成单一的透射峰,受其他频率的光子影响小且易于观察。从理论结果可以看出,这种光子晶体透射率与所受的轴向应力在一定范围内呈简单的线性关系。据此,该设计以典型的单悬臂梁结构为基础设计一种新型加速度计。在单悬臂梁根部所受应力最大处,用镜像结构光子晶体替代以往的力敏电阻器,通过测出透射光强算出透射率,进而可算出加速度的值。从模态分析图中可以看到这种加速度计具有更好的稳定性和抗干扰性。

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。

推挽式谐振加速度传感器设计及仿真研究

设计了一种基于微杠杆原理的推挽式高精度、高灵敏度的硅微谐振加速度传感器。采用微杠杆放大结构,并通过单连接梁推挽谐振器实现力放大和差分输出,具有结构对称,尺寸易于加工的特点。通过设计结构、优化尺寸,并进行模态分析、静力分析和谐响应分析来完成整个结构的设计与仿真研究。结果表明:加速度计工作谐振频率分别为21.708 kHz和21.715 kHz。在±5 g_(n)的设计量程内对结构进行了灵敏度分析。仿真结果表示,其敏感轴的灵敏度为280 Hz/g_(n),非敏感轴的横向灵敏度为0.4 Hz/g_(n)和0.1 Hz/g_(n)。最后搭建自激振荡的闭环驱动模型,验证了结构在闭环系统下的可行性。