Microfabrication technology for non-coplanar resonant beams and crab-leg supporting beams of dual-axis bulk micromachined resonant accelerometers

This paper presents the design principles and fabrication techniques for simultaneously forming non-coplanar resonant beams and crab-leg supporting beams of dual-axis bulk micromachined resonant accelerometers by masked-maskless combined anisotropic etching.Four resonant beams are located at the surface of a silicon substrate,whereas the gravity centre of a proof mass lies within the neutral plane of four crab-leg supporting beams on the same substrate.Compared with early reported mechanical structures,the simple structure not only eliminates the bending moments caused by in-plane acceleration,and thereby avoiding the rotation of the proof mass,but also providing sufficiently small rigidity to X and Y axes accelerations,potentially leading to a large sensitivity for measuring the in-plane acceleration.

硅微机械音叉式谐振器

应用体硅微机械加工技术,制作了一种双端固定音叉式谐振器。它在音叉的两个臂上连接了梳齿电容结构,用来驱动音叉臂在硅片平面内侧向、反相振动,同时检测音叉的振动频率。当驱动力的频率等于音叉的固有频率时,音叉产生谐振。此时,检测梳齿电容输出的电流最大。用有限元方法对谐振器进行了模态分析和结构优化。音叉臂长800μm,宽5μm,梳齿电容齿长25μm,结构层厚度为80μm,在30V交流电压激励下,测得其谐振频率为25kHz。当音叉受到轴向力的作用时,音叉的固有频率会发生变化,根据这一原理,设计了谐振式加速度计。用有限元分析软件对加速度计工作情况仿真,估算其灵敏度约为2Hz/g。这种音叉式谐振器结构和工艺简单,性能可靠,成本较低,对于进一步研究微机电系统谐振器件具有重要意义。

硅微谐振加速度计的模态分析与实验

针对硅微谐振加速度计在进行结构设计时,如何根据模态特性选取工作模态这一问题,比较分析了加速度计工作在两种不同振动模态下的性能参数。首先采用刚度法分析了谐振器的振动特性,得出能够反映谐振器振动状态的两种模态即同相振动模态和反相振动模态,结合理论推导和仿真结果得出两种振动模态下谐振频率差值与标度因数差值呈线性关系;其次通过分析两种振动模态下的能量分布情况,得出两种振动模态下谐振器的品质因数与振梁振动幅值之间的关系,同相模态振动一个周期所消耗能量约为反相模态所消耗能量的2倍;最后通过评估硅微谐振加速度计的噪声,阐明了两种振动模态下部分噪声分量不同的原因并进行了实验验证。实验结果表明,在相同驱动电压下,同相模态相比反相模态总体噪声增大25.7%。该研究为设计硅微谐振式加速度计时,确定谐振器的振动模态及驱动方案提供了参考依据。

硅微谐振式加速度计数据采集系统设计

硅微谐振式加速度计能将被测加速度直接转换为稳定性和可靠性都很高的频率信号,因此可以获得优良的性能。高分辨率频率信号的获取需较长的测量时间,而在导航和姿态控制等应用中,测量时间一般又限定在较短的10ms内。针对10ms内对中心谐振频率为20kHz、标度因数为100Hz/g、量程为±50g、分辨率为±1mg的硅微谐振式加速度计输出的差分频率信号进行测量的要求,讨论获取加速度测量值的数据采集系统的设计方法。介绍采用基于高速锁相环倍频和CPLD计数的频率测量方案和数据采集系统主要包括的整形电路、倍频电路、计数电路、微控制器和串行通信电路的设计方法。测试表明,设计的系统经达到了设计目标。

硅微谐振式加速度计相位控制环路优化研究

硅微谐振式加速度计(MSRA)凭借其潜在的高精度特点成为微加速度传感器领域的重点研究方向之一。相位环路的控制精度直接决定了MSRA的测量精度。在对MSRA工作机理进行简要分析的基础上,着重研究了现实验室加速度计样机的相位控制环路,分析了其相位误差的来源,并在原有环路滤波器的基础上增加了一种带参考电压的PI校正控制环节。实验结果表明,增加PI校正环节后,组成的四阶二型锁相环路可以使差分频率输出与温度线性拟合的相关系数从0.96291提高至0.98863,在±20 g量程围内,非线性度从430 ppm降低至154 ppm,硅微谐振式加速度计的零偏稳定性在常温下达到8.64μg。