Coupled vibrations and frequency shift of compound system consisting of quartz crystal resonator in thickness-shear motions and micro-beam array immersed in liquid

The dynamic characteristics of a quartz crystal resonator（QCR） in thicknessshear modes（TSM） with the upper surface covered by an array of micro-beams immersed in liquid are studied. The liquid is assumed to be inviscid and incompressible for simplicity. Dynamic equations of the coupled system are established. The added mass effect of liquid on micro-beams is discussed in detail. Characteristics of frequency shift are clarified for different liquid depths. Modal analysis shows that a drag effect of liquid has resulted in the change of phase of interaction（surface shear force）, thus changing the system resonant frequency. The obtained results are useful in resonator design and applications.

Effect of strain-gradients of surface micro-beams on frequency-shift of a quartz crystal resonator under thickness-shear vibrations

With introduction of the first-order strain-gradient of surface micro-beams into the energy density function,we developed a two-dimensional dynamic model for a compound quartz crystal resonator（QCR） system,consisting of a QCR and surface micro-beam arrays.The frequency shift that was induced by micro-beams with consideration of strain-gradients is discussed in detail and some useful results are obtained,which have important significance in resonator design and applications.

Influence of surface micro-beams with large deflection on the resonance frequency of a quartz crystal resonator in thickness-shear mode vibrations

We study the dynamic behavior of a quartz crystal resonator （QCR） in thickness-shear vibrations with the upper surface covered by an array of micro-beams （MBs） under large deflection. Through taking into account the continuous conditions of shear force and bending moment at the interface of MBs/resonator, dependences of frequency shift of the compound QCR system versus material parameter and geometrical parameter are illustrated in detail for nonlinear and linear vibrations. It is found that the frequency shift produces a little right （left） translation for increasing elastic modulus （length/radius ratio） of MBs. Moreover, the frequency right （left） translation distance caused by nonlinear deformation becomes more serious in the second-order mode than in the first-order one,

Electrode Location Efficiency and Equivalent Circuit for Flexure Vibration of Piezoelectric Beam

Aim To provide technical parameters for development of quartz gyro. Methods Theory of elastic beam was applied to piezoelectric beam. Based on the concept of equivalent volume force and energy conservation, the formula of electrode location efficiency was derived. And the electric system was compared with the dynamic one according to the principle of equivalent circuit for piezoelectric crystal, and the general formulae of the parameters for the equivalent circuit, R n L n C n , were derived. Results and Conclusion Optimum electrode location is chosen, and the derived equivalent circuit parameters are the theoretical base of the circuit design for quartz gyro.

石英振梁加速度计温度自补偿方法

石英振梁加速度计在温变环境中存在输出漂移,文中采用一种新型软件补偿方法抑制温度漂移。该方法利用石英振梁自身谐振频率表征参考温度,并建立温度补偿模型。较于以温度传感器输出作为参考温度,该方法没有测温误差。在补偿算法上,提出一种基于麻雀搜索算法优化BP神经网络的温度补偿模型,能够克服BP神经网络易陷入局部最优的问题和提升补偿准确性。通过多次温度实验进行建模,对比补偿前后的输出值,零偏稳定性从392.8μg下降至65.5μg,证明该补偿方法的有效性。

基于IWOA-BP的石英振梁加速度计温度补偿研究

在温度变化的环境中,石英振梁加速度计(QVBA)的输出会发生漂移。为了改善QVBA的温度稳定性,提出了基于改进鲸鱼算法(IWOA)优化BP神经网络的温度补偿模型。IWOA通过优化BP神经网络的初始权值和阈值,克服了BP神经网络易陷入局部最优的缺点,增强了BP神经网络在训练中的准确性和鲁棒性。全温实验表明,该方法能够明显抑制QVBA因温度而产生的漂移。经过补偿,全温零偏稳定性从4.161 mg下降至0.196 mg,全温标度因数稳定性从59.676 ppm下降至35.751 ppm,验证了模型的有效性。

石英器件加工工艺及最新进展

介绍国内外石英器件加工工艺发展 ,以石英摆片为例 。

石英振梁加速度计谐振器的结构设计

石英谐振器的设计是实现高精度石英振梁加速度计的关键。首先对石英晶体的最优切型切角结构进行研究,确定石英晶体的最优切型切角为(xyt)5°。其次,理论分析并通过仿真验证了石英谐振器的结构参数对石英振梁加速度计标度因数的影响,并对石英谐振器的结构参数进行了优化。最后,对石英谐振器进行了模态仿真,并分析了石英谐振器的尺寸制作偏差对标度因数的影响。用有限元分析方法得到了石英谐振器的理想振型,且石英振梁加速度计的标度因数为40 Hz/g。理论及仿真结果表明该石英谐振器可应用于高标度因数石英振梁加速度计中。

线列熔融石英微透镜阵列的光刻和氩离子束刻蚀制备

采用光刻和熔融成形法制备线列长方形供面光致抗蚀剂微透镜图形，采用固化技术对其作重整化处理，采用氩离子（Ar＋）束刻蚀有效地实现线列长方形拱面光致抗蚀剂微透镜图形阵列向熔融石英（SiO2）基片上转移。所制单元熔融石英微透镜底部的外形尺寸为300×95μm2，平均冠高14．3μm，平均曲率半径为86μm，平均焦距为258．1μm平均F／数2.7,平均大T／数2．9；平均光焦度5．8×10(－3)折光度。扫描电子显微镜（SEM）和表面探针测试表明，所制成的线列熔融石英微透镜阵列的图形整齐均匀，每个单元长方形拱面熔融石英微透镜的轮廓清晰，表面光滑平整。实验结果证实，光刻／氩离子束刻蚀技术适用于制备具有良好的均匀性和光学质量的单片熔融石英微透镜阵列器件，此技术对于制备与大面阵凝视焦平面成像探测器相匹配的大面降微透镜阵列具有重要意义。

激光切割石英的切向裂纹研究

激光切割熔融石英材料出现裂纹的主要原因是相当大的温度梯度所产生的过大热弹性应力。本文对惯性导航用加速度计的关键部件———石英摆片激光切割过程中的切向裂纹问题进行了定量的研究 ,通过对切向裂纹产生的位置、切口处温度场和应力场的计算分析 ,给出了切向产生裂纹的评价准则 。

高灵敏度QVBA限位结构设计研究

石英振梁加速度计(QVBA)具有检测精度高、准数字输出的特点,灵敏度是影响其性能的一个重要指标参数。针对现有石英振梁加速度计灵敏度低的问题,设计了一种高灵敏度石英振梁加速度计。它采用在石英摆片上下位置施加一对限位片,既可对石英摆片的最大位移量进行限制以提高器件的抗冲击性能,又可增加石英摆片振动过程中的阻尼力以提高器件的抗振动性能,降低了加速度计一阶模态谐振频率的限制条件,有效提高了加速度计的灵敏度。最后依据加速度计的结构特点设计出了相应的工艺制作方案,并加工出了差分结构的加速度计样机,经测试其灵敏度为65.74Hz/g,10min零位稳定性为15.8μg。

射频聚焦离子源熔石英高确定去除特性研究

在离子束抛光工艺过程中,材料确定性去除特性对预测光学元件的各工位材料去除量和驻留时间具有极其重要的作用。采用射频离子源对熔石英光学元件的离子束刻蚀特性进行了研究,利用ZYGO激光干涉仪获得准确的去除函数,系统分析了气体流量、屏栅电压、离子束入射角和工作距离等因素对熔石英去除函数的影响,并分析了各单一工艺因素微小扰动时,材料峰值去除率、半高宽和体积去除率的相对变化率。实验结果表明,相同工作真空条件下,工作气体质量流量的微小变化对去除函数影响极小,在典型的工艺条件下,屏栅电压在±5V、离子束入射角±1°、工作距离在±0.5mm范围内变化时,熔石英峰值去除率、体积去除率和峰值半高宽的相对变化均小于5%,去除函数具有较好的确定性和稳定性。

线加速度计的现状和发展动向

线加速度计是惯性测量和导航系统的主要惯性元件之一。当前，传统的力再平衡摆式加速度计占据加速度计的主要市场。对加速度计输出数字化的迫切要求，推动了石英振梁式加速度计的发展。随着微电子加工技术向惯性技术的渗透，微硅加速度计已崭露头角并受到广泛的关注。

石英微透镜阵列的制作研究

叙述了采用氩离子束刻蚀的方法制作线列长方形拱面石英微透镜阵列．所制单元石英微透镜底部的外形尺寸为（300×106）um2，平均冠高7．07μm，平均曲率半径202．19μm，平均焦距404．38μm，平均F2数为3．82，平均光焦度2．47×103屈光度，扫描电子显微镜和表面探针测试表明，所制线列石英微透镜阵列的图形整齐均匀，单元长方形拱面石英微透镜的轮廓清晰，表面光滑平整．所制微透镜阵列用于高Tc超导红外探测器阵列的实验证实，微透镜的引入可以显著改善超导探测器的光响应特性．

高精度石英振梁加速度计频率采样系统设计

设计一个高精度频率采样系统对惯性导航系统中的3路石英振梁加速度的信号进行快速采集.首先分析振梁加速度计的测量原理和误差来源,然后采用基于FPGA的SOPC技术与Verilog语言编程实现数据采集,最后在实际导航系统中进行了大量的试验,结果表明,系统以100 Hz运行稳定,采样精度达到了1 mg.

三维编织复合材料的热激波传播衰减特性

采用保护环式石英压电测量技术 ,在“闪光 2号”脉冲电子束加速器上 ,进行了三维编织复合材料的热激波传播衰减特性实验研究。实验结果表明 :(1)在电子束能注量为 5 70～ 970J cm2 ,对厚度为 10mm的三维编织复合材料 ,其热激波应力峰值约为 0 15～ 0 39GPa ,只有相同条件下LY - 12铝的 6 %左右。这说明三维编织复合材料具有良好的衰减热激波的性能 ;(2 )热激波在三维编织材料的传播中 ,相对LY - 12而言 。

脉冲辐照下三维多向碳纤维编织复合材料热激波的实验研究

在“闪光二号”脉冲电子束加速器上,采用自行研制的保护环式石英压电传感器,对三维多向碳纤维编织复合材料的热激波传播特性开展了实验研究。结果表明: (1)在电子束能注量为382J/cm2 ~953J/cm2范围内,三维编织复合材料的热激波应力峰值在 97~406MPa之间,只是相同能注量下Ly-12铝的 8%左右,这表明该材料具有良好的衰减热激波的性能; (2)三维编织复合材料中的热激波,其波速较低(大约为 2. 78~3. 45km/s),只是Ly-12铝的 0. 4倍左右,其波形上升时间也比Ly-12铝的大; (3)热激波强度和能注量间近似有线性关系,但烧蚀质量却随能注量增加而增加,当能注量足够高时,质量亏损面密度几乎以指数方式增加。

微射流驱动弯曲测试法测量微结构的弹性模量

提出了一种新颖的用于测量微结构力学性能的弯曲测试法——微射流驱动的弯曲测试法(microjet-driving microbending test method,JDBT)。该方法利用气体微射流连续冲击微结构,使之发生弯曲变形,通过获取结构的尺寸参数和形变位移,并代入结构的变形公式,从而反解出材料的力学性能参量。利用动量定理推导了微射流作用力公式,对某型号石英摆片式加速度计的敏感结构进行了理论建模,并用COMSOL MULTIPHYSICS有限元软件对理论公式进行了修正,接着通过JDBT实验得到了不同流量下的结构位移,最后将结构尺寸和结构形变位移代入修正后的理论公式,从而得到了石英玻璃的弹性模量约为71GPa,比纳米压痕仪测试的结果要小14%左右,与文献中提到的结果吻合较好。

压电式传感器在辐射冲击波测量中的应用

为了准确测量复合材料中的辐射冲击波,特别研制了一种大尺寸的石英保护环式压电冲击波测量传感器;利用冲击波在材料界面处的透射、反射原理,给出了正确的界面应力换算方法;应用该自行研制的冲击波测试系统,在“闪光二号”电子束加速器上成功地测量了一种碳纤维编织复合材料中的辐射冲击波,测量波形完整、信号信噪比高,测量结果表明该测量系统完全可以胜任强干扰环境中的辐射冲击波测量。

一体式石英振梁加速度计工程化研究进展

一体式石英振梁加速度计是一种高精度谐振式MEMS惯性传感器。针对现有石英振梁加速度计存在的体积大、全温及力学环境适应性不足等问题,提出一种基于三层石英结构的一体式石英振梁加速度计的设计方案。通过突破高精度薄梁腐蚀及晶圆级键合两项关键技术,成功研制出加速度计样机。经测试,产品全温稳定性优于0.5mg,振动整流误差优于200μg/g^2(@15.68g rms),可以满足中高精度惯性导航应用需求。后续期望通过原位温度补偿及直接键合等技术进一步提升一体式石英振梁加速度计的全温精度及长期稳定性。