Calculation,Simulation,and Testing for the Natural Frequency of a Micro Accelerometer

A calculation and test method for the natural frequency of a high-g micro accelerometer with complex structures is presented. A universal formula for natural frequency, which can significantly simplify the structural design process, is deduced and confirmed by experiment. A simplified analytical model is established to describe the accelerometer＇s mechanical behavior and deduce the formula for the natural frequency. Finite element modeling is also conducted to evaluate the natural frequency of the micro-accelerometer and verify the formula. The results obtained from the analytical model and the finite element simulation show good agreement. Finally, a shock comparison method designed for acquiring the high frequency characteristics of the accelerometer is introduced to verify the formula by testing its actual natural frequency.

Novel Resonant Accelerometer with Micro Leverage Fabricated by MEMS Technology

For the purpose of improving the precision of the inertial guidance system,it is necessary to enhance the accuracy of the accelerometer.Combining the micro-fabrication processes with resonant sensor technology,a high-resolution inertial-grade novel micro resonant accelerometer is studied.Based on the detecting theory of the resonant sensors,the accelerometer is designed,fabricated,and tested.The accelerometer consists of one proofmass,two micro leverages and two double-ended-tuning-fork （DETF） resonators.The sensing principle of this accelerometer is based on that the natural frequency of the DETF resonator shifts with its axial load which is caused by inertial force.The push-pull configuration of the DETF is for temperature compensation.The two-stage micro leverage mechanisms are employed to amplify the force and increase the sensitivity of the accelerometer.The micro leverage and the resonator are modeled for static analysis and nonlinear modal analysis via theory method and finite element method （FEM）,respectively.The geometrical parameters of them are optimized.The amplification factor of the leverage is 102,and the sensitivity of the resonator on theory is about 62 Hz/g.The samples of the accelerometer are fabricated with deep reactive ion etching （DRIE） technology which can get a high-aspect ratio structure for contributing a greater sensing-capacitance.The measuring results of the samples by scanning electron microscopy （SEM） show that the process is feasible,because of the complete structure,the sound combs and micro leverages,and the acceptable errors.The frequency of the resonator and the sensitivity of the accelerometer are tested via printed circuit board （PCB）,respectively.The result of the test shows that the frequency of the push-resonator is about 54 530 Hz and the sensitivity of the accelerometer is about 55 Hz/g.The amplification factor of the leverage is calculated more accurately because the coupling of the two stages leverage is considered during derivation of the analysis formula.In addition,the novel differential structure of the accelerometer can greatly improve the sensitivity of the accelerometers.

A novel micro-accelerometer with adjustable sensitivity based on resonant tunnelling diodes

Resonant tunnelling diodes （RTDs） have negative differential resistance effect, and the current-voltage characteristics change as a function of external stress, which is regarded as mesc-piezoresistance effect of RTDs. In this paper, a novel micro-accelerometer based on AlAs/GaAs/In0.1Ga0.9As/GaAs/AlAs RTDs is designed and fabricated to be a four-beam-mass structure, and an RTD-Wheatstone bridge measurement system is established to test the basic properties of this novel accelerometer. According to the experimental results, the sensitivity of the RTD based micro-accelerometer is adjustable within a range of 3 orders when the bias voltage of the sensor changes. The largest sensitivity of this RTD based miero-accelerometer is 560.2025 mV/g which is about 10 times larger than that of silicon based micro piezoresistive accelerometer, while the smallest one is 1.49135 mV/g.

Micro-accelerometer Based on Vertically Movable Gate Field Effect Transistor

A vertically movable gate field effect transistor(VMGFET) is proposed and demonstrated for a microaccelerometer application. The VMGFET using air gap as an insulator layer allows the gate to move on the substrate vertically by external forces. Finite element analysis is used to simulate mechanical behaviors of the designed structure. For the simulation, the ground acceleration spectrum of the 1952 Kern County Earthquake is employed to investigate the structural integrity of the sensor in vibration. Based on the simulation, a prototype VMGFET accelerometer is fabricated from silicon on insulator wafer. According to current–voltage characteristics of the prototype VMGFET, the threshold voltage is measured to be 2.32 V, which determines the effective charge density and the mutual transconductance of1.545910-8C cm-2and 6.59 m A V-1, respectively. The device sensitivity is 9.36–9.42 m V g-1in the low frequency,and the first natural frequency is found to be 1230 Hz. The profile smoothness of the sensed signal is in 3 d B range up to1 k Hz.

Noise analysis and characterization of a full differential CMOS interface circuit for capacitive closed-loop micro-accelerometer

To achieve a high precision capacitive closed-loop micro-accelerometer,a full differential CMOS based on switched-capacitor circuit was presented in this paper as the sensor interface circuit.This circuit consists of a balance-bridge module,a charge sensitive amplifier,a correlated-double-sampling module,and a logic timing control module.A special two-path feedback circuit configuration was given to improve the system linearity.The quantitative analysis of error voltage and noise shows that there is tradeoff around circuit's noise,speed and accuracy.A detailed design method was given for this tradeoff.The noise performance optimized circuit has a noise root spectral density of 1.0 μV/Hz,equivalent to rms noise root spectral density of 1.63 μg/Hz.Therefore,the sensor's Brown noise becomes the main noise source in this design.This circuit is designed with 0.5 μm n-well CMOS process.Under a ±5 V supply,the Hspice simulation shows that the system sensitivity achieves 0.616 V/g,the system offset is as low as 1.456 mV,the non-linearity is below 0.03%,and the system linear range achieves ±5 g.

某型摆式加速度计自动盖总成装配系统

摆式加速度计广泛应用于航空航天、船舶等领域的惯性导航系统中,其装配作业目前主要依赖于人工操作,产品一致性难以保证。鉴于此,本文针对某型摆式加速度计研制了一套自动装配系统。基于宏微结合的设计策略,搭建基于高精度运动滑台的微动平台,以及基于单轴机器人的宏动平台。确立了以微动平台为精调核心,以宏动平台辅助压装并实现不同功能模块工作位置调整的装配机制,同时设计功能模块上中下三层的立体分层式结构,在保证精度的同时避免作业空间的拥挤。引入六轴协作机器人并集成视觉系统,实现作业空间的全覆盖识别和自动化上下料功能。针对磁钢零件磁性力对装配精度的影响,采用零件内部辅助限位的方式,实现零件装配精度的保持。基于刚体变换,对系统进行误差分析并推导了误差补偿模型。实验结果验证,该装配系统的角度装配精度优于±0.03°,压装力精度优于±0.5 N,扭力精度优于±0.003 N·m,满足装配要求,为该型摆式加速度计的批量化生产提供了有力保障。

基于单质量块微纳光栅泰伯效应的双轴MOEMS加速度计

对一种基于单质量块微纳光栅泰伯效应双轴微光机电系统(MOEMS)加速度计进行了设计、加工与测试。利用有限元分析和时域有限差分法分别对双轴加速度计的敏感结构和光栅参数进行仿真优化。在保证加速度计高集成度的同时,为了实现双轴加速度的高精度测量,采用不同周期的两组光栅进行双轴加速度检测,通过磁控溅射工艺将两组光栅结构沉积在质量块的不同区域,最终通过阳极键合方式实现该双轴MOEMS加速度计的制备。实验结果表明,光栅泰伯效应双轴MOEMS加速度计x轴与y轴的灵敏度分别为3.36和3.54 V/g,零偏稳定性分别为25.53和20.91μg@1 s。该研究为实现高精度多轴加速度计提供了一种新的方法。

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。

微纳光栅MOEMS加速度计优化设计与测试

提出了一种基于微纳光栅泰伯效应的微光机电系统(MOEMS)加速度计,通过Comsol软件对加速度计结构和光栅结构参数进行优化,使其在20g量程范围内获得较大的结构灵敏度和衍射效应灵敏度,同时通过仿真分析了该结构的交叉轴串扰情况。由于受外界温度起伏影响,双层光栅结构间距受热膨胀系数的影响产生相对位移。为了减小由于温度起伏对光栅加速度计零偏的影响,采用温度闭环反馈控制技术将加速度计温度变化控制在±10 mK范围内。经实验测试,加速度计零偏稳定性达3.7μg,相较于无温控情况提升了近7倍。最终实现光栅MOEMS加速度计的灵敏度达5.23 V/g,线性相关系数为99.9%,分辨率达286.8μg。

基于交流反馈的电容式加速度计闭环数字系统

针对加速度计系统中普遍存在的信号零偏漂移与低频噪声,文中采用一种基于交流反馈的闭环系统,结合结构参数和电路参数,对加速度计系统进行仿真,设计FPGA数字电路。搭建模拟直流反馈与数字交流反馈的闭环系统测试平台,在相同环境下进行对比实验。实验结果表明:交流反馈相较于直流反馈信号输出零偏稳定性与噪声水平改善约45%,产生了较好的效果。

光栅MOEMS加速度计温度特性

由于硅微机械加速度计受温度影响,导致硅弹性模量和热膨胀系数发生变化,造成微光机电系统(MOEMS)加速度计标度因数漂移、测量稳定性下降等问题。首先,采用COMSOL软件对光栅MOEMS加速度计微机械结构部分进行了温度特性仿真,分析了硅弹性模量温度系数和热膨胀系数对光栅MOEMS加速度计微机械结构标度因数和零位的影响。其次,设计了温控精度达0.1℃的温度控制系统,并利用该系统对加速度计进行温度控制。最后,对光栅泰伯效应MOEMS加速度计温度特性展开测试,结果表明,加速度计的标度因数随温度升高而增大,零偏稳定性随温度的升高而降低,加速度计标度因数温度系数为0.30 V·g^(-1)·℃^(-1),零偏稳定性温度系数为-7.78μg/℃,其变化趋势与仿真结果一致。这为实现全温范围下高精度MOEMS加速度计奠定了基础。

微光栅加速度计温度控制研究

微光栅加速度计凭借着极高灵敏度和分辨率等优势成为近几年的研究热点,但外界环境温度的变化会影响其输出精度。为优化其温度特性,提出了一种两级内外温控系统。通过介绍微光栅加速度计的基本原理,分析了由于半导体激光器和MEMS敏感芯片的温度特性对其造成的影响。针对加速度计设计了温控电路,对其搭载两级内外温控系统,使其工作温度保持恒定,最后对该系统进行了实验测试。实验结果表明:在该温控系统下,加速度计的工作温度控制精度可达±0.02℃。对于加速度计的噪声性能而言,在0.01~10 Hz频段,相较于未加温控系统的加速度计,整体信噪比提高了20 dB。

用于三轴MEMS加速度计的集成数字调理电路

基于0.18μm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺,设计了一种用于三轴微电子机械系统(MEMS)加速度计的集成数字调理电路,实现了三轴加速度信号的数字后处理。该数字调理电路采用级联积分梳状(CIC)与有限冲击响应(FIR)相结合的滤波器形式,有效滤除了带外的量化噪声,提高了输出信号的信噪比;零位采用四阶多项式拟合温补算法,标度因数采用二阶多项式拟合温补算法,有效降低了加速度输出随温度的漂移,提升了加速度计的测量精度。此外,FIR滤波器采用时分复用的实现形式,温补模块采用串行实现形式,有效减小了芯片面积,最终芯片面积为1.5 mm^(2)。测试结果表明,滤波器符合设计值,三轴MEMS加速度计的零偏不稳定性为15μg,速率随机游走为0.035 m/s/√h,温补后零偏全温区变化量为3.55mg,提升了5.4倍;温补后标度因数全温区变化量为0.0026,提升了4.1倍,电路性能良好。

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。

多负载环境下微加速度计的可靠性建模与分析

针对多负载环境下微电子机械系统(MEMS)微加速度计易出现的敏感结构断裂及材料疲劳退化问题,提出了一种基于全概率理论的微加速度计可靠度预估模型。该模型结合齐次泊松过程和Wiener退化过程,分别表征单位时间内作用在微加速度计上的冲击载荷次数以及器件在振动负载下的疲劳退化过程,完成了微加速度计在广义极端冲击、广义δ-冲击和广义混合冲击条件下的可靠度建模。对比分析了三种模型预估的可靠度随时间的变化规律,分析得出,广义混合冲击模型的可靠度计算结果更具有指导意义。进一步对广义混合冲击模型进行参数敏感性分析,研究结果表明,冲击强度与冲击次数对微加速度计的可靠度具有显著影响。

基于MEMS工艺的微热加速度计和微热陀螺仪的制备

微热加速度计和微热陀螺仪两者传感芯片结构相似,并且制备工艺完全兼容,在同一块绝缘体上硅(SOI)基板上运用同一工艺流程同时制备出了微热陀螺仪传感芯片和微热加速度计传感芯片。为了准确地创建微尺度的图案和结构,设计了四块光刻掩模版来制作该微热加速度计芯片和微热陀螺仪芯片,分别对应于接触孔开口、热敏电阻、互连布线和背面空腔。轻掺杂硅热敏电阻的可控电阻温度系数(TCR)大于传统金属丝,因此选择p型硅作为热敏电阻材料。TCR由硅片的掺杂浓度决定,使用了三种不同掺杂浓度的硅片进行对比实验,从而选定硅片的掺杂浓度为1×10^(17)cm^(-3),对应的TCR为3500×10^(-6)/℃。选择SOI作为衬底材料,显著增强了微热陀螺仪和微热加速度计的耐高温性,并且提高了其灵敏度。在电感耦合等离子体-反应离子刻蚀(ICP-RIE)和氢氟酸(HF)蒸气工艺过程中,通过光刻胶和聚酰亚胺层成功保护了非常薄和易碎的热敏电阻,在4英寸(1英寸=2.54 cm)SOI基板上一次最多可以成功制备出180个微热陀螺仪传感芯片和108个微热加速度计传感芯片,制备的微热加速度计传感芯片尺寸为2 mm×2 mm×0.4 mm,微热陀螺仪传感芯片尺寸为5.8 mm×5.8 mm×0.4 mm。分别对制备的微热加速度计和微热陀螺仪进行了测试,微热陀螺仪x轴灵敏度为0.107 mV/(°/s),y轴灵敏度为0.102 mV/(°/s),微热加速度计灵敏度为13 mV/g。通过一次工艺流程制备出两种热流体惯性传感器,极大地缩短了制备时间,降低了制备成本,成功实现了高精度的批量生产。

硅微谐振式加速度计温度补偿方法研究综述

硅微谐振式加速度计具有体积小、成本低、动态范围宽、高精度准数字频率信号输出等优势,但零偏、标度因数等关键性能指标受到了温度等因素的制约,尚不能满足高精度导航制导的高性能要求。因此,本文在简要介绍硅微谐振式加速度计温度特性及温度误差来源的基础上,综述了近年来国内外学者针对硅微谐振式加速度计进行的温度补偿方面的研究,包括无源温度补偿技术、有源温度补偿技术;介绍了无源温度补偿技术与有源温度补偿技术常用的方法和最新的研究成果;分析总结了各种方法的优缺点,提出探索更加精确的测温手段、热隔离效果更好的隔离装置以设计一种低功耗、预热时间短、控制稳定性强的微烘箱系统进行器件层的加热控温,以及寻求无源补偿技术与有源补偿技术相结合的更多可能性以获得温度补偿最优组合是后续温度补偿工作的重点研究方向。

基于二维黑磷的微型隧穿式加速度计设计

针对硅等传统半导体材料随着器件尺寸减小出现的热效应、尺寸效应等现象,导致器件性能下降甚至失效,设计了一种基于二维黑磷的微型隧穿式加速度传感器。两个驱动电极位于硅衬底上表面和二维黑磷悬臂梁结构下表面,静电驱动控制隧道电极间距。为提高加速度计的灵敏度,在二维黑磷悬臂梁上增加金质量块结构。通过对敏感结构进行模态分析和静力学仿真,完成了其结构设计。经闭环Simulink模型仿真验证了结构的合理性,仿真结果表明传感器的灵敏度可达3.09 mV/g。

基于电容检测的高精度大量程MEMS加速度计设计

为满足系统在导航和倾角测量等领域对高精度、大量程加速度计的应用需求,设计了一种高精度、大量程微机电系统(MEMS)加速度计。加速度计敏感结构采用梳齿式结构,电容/电压(C/V)转换电路采用开关电容架构,通过斩波技术和相关双采样技术有效降低调理电路的1/f噪声。为提高系统线性度,模/数转换器(ADC)采用2阶1 bit Sigma-Delta架构,同时采用斩波技术降低ADC的失调及1/f噪声。本文设计采用0.18μm BCD工艺,调理电路面积为28 mm^(2)。测试结果表明:MEMS加速度计在±50 gn的量程下,零偏稳定性达到73.7μg,非线性度为69.3×10^(-6),总功耗110 mW。

芯片粘接对MEMS加速度计性能影响分析

研究了一种针对微电子机械系统(MEMS)变电容间隙式加速度计芯片粘接应力对零位输出影响的分析方法。通过建立加速度计的数学解析模型,从理论上推导出了电容变化量与间隙变化量的关系式。然后对影响间隙变化量的粘接应力进行了分析,得到了影响粘接应力的因素,并选取关键影响因素(粘结胶点直径)进行仿真分析。为了验证降低加速度计零位输出随温度变化的改进思路,分别装配了0.9 mm直径胶点和1.5 mm直径胶点粘接的加速度计进行了实验。实验结果表明,改进封装方案有效,采用直径0.9 mm胶点方案使零位输出变化量降低了75%。