工程化硅微谐振加速度计设计与实现

提出一种基于MEMS敏感结构芯片与专用集成电路芯片(ASIC)集成封装的硅微谐振加速度计设计方案。敏感结构主要包括敏感质量块、一级微杠杆放大结构和双端固定音叉谐振器。整体结构采用左右差分对称布局,实现器件高灵敏度。敏感结构芯片基于全硅晶圆级封装工艺,实现敏感结构芯片的低应力与批量化加工。敏感结构芯片与ASIC芯片采用堆叠式集成封装,实现器件的小型化与低功耗。所设计加速度计的谐振频率约为18.2 kHz,量程为±20 g_(n),标度因数为216 Hz/g_(n),标度因数稳定性为5×10^(-6),零偏稳定性为6.5μg_(n)(1σ,10 s)。所提方案实现了器件的小型化、低功耗与集成化。

动热源摆式单轴MEMS热加速度计敏感机理的研究

该文揭示了一种动热源摆式单轴微机电系统(MEMS)热加速度计的敏感机理。在给出敏感结构原理的基础上,通过建立二维物理研究模型、划分网格、加载加速度等方法对敏感结构内的温度场进行了计算。结果表明,开机1.8 s后在敏感结构内形成了一个稳定的以动热源为中心的温度场;输入加速度a时,动热源沿着加速度方向偏移,温度场随之偏移,敏感轴方向上对称设置的两个热线温差ΔT X随着输入加速度a的加大而呈线性增长,温度灵敏度为7.1×10^(-2)mK/g。根据输入-输出(a-V X OUT)特性曲线给出数学模型,得到该加速度计灵敏度为0.5 V/g,非线性度为2.8%,从而揭示了敏感机理。

谐振梁加速度计测频噪声分析与实验

随着谐振梁加速度计的精度不断提升,对谐振频率的测量噪声提出了更高要求。针对高采样率下的测频噪声性能,分析了等精度测频法和连续时间标记法两种测频方法,分别以信号发生器和加速度计输出的频率信号作为输入,利用研制的FPGA测频电路开展了测频噪声实验研究。结果表明高采样率下通过串接低通滤波器能够有效抑制测频噪声,低通滤波后两种测频方法的噪声水平相近,且随着采样率的提升,测频噪声趋于常值。实验结果表明,在500 Hz更新率、串入200 Hz带宽4阶Butterworth低通滤波器的条件下,使用等精度测频法和连续时间标记法测量加速度计样机输出,室温下测得样机的零偏稳定性分别为1.03μg和1.24μg。

硅微振梁式加速度传感器中微杠杆结构的设计

提出了一种采用微杠杆结构进行惯性力放大的硅微振梁式加速度传感器结构,阐述了其工作机理.在此基础上,讨论了两种不同的支点形式,分别推导了这两种结构形式的放大倍数计算公式,发现I型支点形式的放大倍数略高于II型支点,并采用有限元方法进行了仿真;分析了支点刚度以及输出轴刚度对放大倍数的影响;提出了微杠杆结构设计的原则.

挠性摆式微硅加速度计的有限元分析

】微硅加速度计是近年来发展起来的新型器件，在结构设计阶段必须对其进行力学分析，以期对使用条件下的摆片位移、应力等作到心中有数。本文采用有限元分析方法对挠性摆式微硅加速度计进行有限元分析，其中包括对未封装及封装后实体单元进行敏感轴位移、侧向位移、横向灵敏度、受力情况等分析。分析结果表明所设计的微硅加速度计符合仪表性能要求。

谐振式微机械加速度计设计的关键技术

谐振式微机械加速度计直接输出频率信号,具有稳定性好、精度高的特点。分析了谐振式微机械加速度计的工作机理,建立了第一级敏感结构、杠杆机构和第二级敏感结构的数学模型,指出了实现高灵敏度加速度测量的关键技术在于支撑梁、质量块、谐振器和杠杆机构的设计。提出了一种谐振式微机械加速度计结构,进行了结构的优化设计和仿真计算,得出的性能指标:谐振频率98858Hz,Q值673.9,灵敏度24.52Hz/gn。

微惯性测量组合关键技术与应用

简要回顾微惯性测量组合技术的发展和应用 ,结合目前我国的发展水平和技术条件 ,从应用的角度特别是军事应用方面分析了微惯性测量组合在应用过程中需要解决的主要问题和关键技术。文章最后指出了发展我国微惯性组合技术的道路是在有限的资金内以选定应用对象和应用环境为基础 ,走应用与研制相结合的道路以应用促研制。

力反馈式加速度计动态特性分析及重要参数选择

力反馈式微机械加速度计闭环系统的静电反馈力可以等效成一个与反馈电压成正比的负反馈力和一个与其平方成正比的负刚度,这使得加速度输入不同时,可以等效成不同参数的线性系统。首先,通过系统的等效开环数学模型的分析,提出静电反馈力的负刚度给整个系统带来的影响;然后在保证系统稳定性和其它性能的同时,以满足整个量程内的动态性能指标为目的,提出校正方案以及机械刚度的取值;接着对校验方案以及所选取参数进行了稳定性仿真和动态特性仿真;最后通过不同刚度和校正参数的两个加速度计的对比实验证明:适当提高系统机械刚度并合理选择校正参数能够在几乎不影响系统阈值的情况下提高系统的动态特性和稳定性。

梳齿式微机械加速度计的研制

微机械加速度计作为微机电系统(MEMS)的一个重要产品,目前已经得到了广泛应用。本文首先从整体上提出了微机械加速度计的工作原理和数学模型,并着重讨论了各个部分之间的关系;然后根据敏感元件的特性,对伺服回路的几个关键参数,即预载电压、PID校正参数和反馈增益,进行了分析;本文最后给出了一种加速度计整体性能的测试结果,结果表明:微机械加速度计的量程为±15gn,非线性度为0.041 9%,阈值为0.15 mgn,2 h稳定性误差为0.084 5 mgn,逐次启动重复性误差为0.156 mgn。

基于闭环点位置控制的硅微梳齿式加速度计温漂抑制方法

环境温度的变化会造成硅微加速度计检测电路输出漂移,从而使加速度计敏感质量的闭环点位置产生漂移。通过分析闭环点位置对加速度计标度因素K1和零偏K0的影响,证明了闭环点位置漂移是造成零偏K0温漂的主要因素和标度因素K1温漂的次要因素。提出了加速度计闭环点位置控制方法,通过在环内加入控制电压可使闭环点始终工作于稳定位置。试验结果证明,该方法可显著降低零偏K0的温漂,闭环点始终位于零反馈位置时零偏K0的温漂系数可降低一个数量级,且温漂滞环可被压缩至±1 mV(±7.77 mg)以内。

微机械惯性仪表综述

介绍了当前国外微机械陀螺仪和微机械加速度计的典型方案，并对其工作原理进行了简要的分析。

一种减小微机械加速度计振动偏移的方案

为降低敏感元件对称性较差的微机械加速度计的振动偏移,对加速度计振动偏移产生的原因和抑制方案进行研究。首先,分析了系统学模型,并得出对于不对称的敏感元件采用对称的电容检测电路时,检测电路输出和敏感元件动极板位移关系函数中存在明显偶次项系数,进而造成振动零偏;其次,讨论了力矩器的非线性,通过理论分析得出,外加静电力等效对称方案无法抑制力矩器环节的振动偏移,提出了敏感元件等效对称补偿方案以及静电力发生器等效对称化方案,通过理论分析得出该方案大大降低了敏感元件不对称带来的振动偏移;最后,对静电力对称方案和等效对称补偿方案进行了对比试验。试验结果表明,对于对称性较差的敏感元件,等效对称补偿方案在保证线性度的同时,大大减小了振动时输出均值的偏移。

常温下硅微谐振加速度计零偏稳定性的提高

考虑环境温度会影响硅微谐振加速度计(MSRA)的测量精度,本文研究了谐振梁的频率漂移及抑制方法以便提高其在常温下的零偏稳定性。针对结构热膨胀导致的应力进行了建模仿真,并根据仿真结果优化设计了一种低热应力的双端固支梁的结构来降低热膨胀系数不匹配带来的频率漂移。实验测得新结构的单梁谐振频率的温度系数从典型结构的约30Hz/℃降为-1.5Hz/℃,与仿真结果-1.14Hz/℃基本一致。为了进一步提高该加速度计的零偏稳定性,设计了一种高精度测温电路用来补偿温漂,该电路测温灵敏度为96.25mV/℃,测量噪声约为0.000 2℃。实验结果表明,采用优化后的结构结合线性温度补偿的方法,可使该硅微谐振加速度计的1h零偏稳定性在常温下达到10μg以下,比改进前实验室获得的52μg水平提升了80%,满足了高精度加速度测量的要求。

硅基谐振式微机械加速度计的设计与仿真计算

分析了硅基谐振式微机械加速度计的工作机理,提出了一种新颖的结构形式,进行了结构的优化设计和仿真计算.用MATLAB软件分析了结构参数对性能指标的影响,用ISIGHT优化软件优化出结构参数,用ANSYS仿真软件对结构进行了静态分析和模态分析,验证了所提出结构的设计思想和优化参数的可行性.

一种基于谐振音叉的新型差动式硅微加速度计设计与分析

为提高谐振式加速度计灵敏度、稳定性以及减小加速度计体积,本文提出一种结构新颖的谐振式硅微加速度计。采用一级微杠杆机构对质量块惯性力进行放大,通过一对差动布置的双端固支音叉谐振器的固有频率变化检测惯性力,从而实现对加速度的测量。该加速度计可采用体硅加工工艺,给出了总体工艺流程。采用解析和有限元分析方法对加速度计敏感元件进行了分析,有限元分析结果与解析分析结果相吻合,有限元分析可得加速度计灵敏度为57.4 Hz/gn。分析结果表明该加速度计结构具有高灵敏度、高温度稳定性和小体积等优点。

关于微硅机械加速度计表头设计的几个问题

由于负刚度等特殊问题 ,使叉齿式微硅机械加速度计的闭环控制区别于常规闭环系统 ,并且负刚度较大地影响微加速度计工作稳定性。为此对加速度计的表头结构设计方法及理论公式进行了研究 ,推导出了在给定性能参数下 ,设计加速度计表头最小分辨率、最大量程的方法和理论计算公式。

谐振式微加速度计杠杆机构的建模与优化

谐振式微机械加速度计的微尺寸质量块引起的惯性力很小,严重制约了加速度计灵敏度的提高,因此提出采用杠杆机构放大惯性力。由于硅基微杠杆机构的各部分均为刚性连接,且杠杆的输入、输出端有约束存在,制约了杠杆的自由转动,使惯性力不能高效放大。为此,设计了基于柔性支点的杠杆机构,建立了微杠杆机构的物理和数学模型,推导出杠杆机构各部分刚度的匹配原则。利用ISIGHT软件,采用遗传算法对结构参数进行了优化。

微机械加速度计及电容检测电路的设计

本文讨论一种扭摆式微机械加速度计。介绍其敏感元件的结构，振动模态和数学模型，说明了集成电容检测电路的原理，并对该电路进行了具体设计，利用ＰＳＰＩＣＥ软件进行仿真分析，结果证明完全达到要求，并给出了同步解调器电路的形式。

微硅型扭摆式加速度计的动态分析

详细分析了微硅型扭摆式加速度计的动态行为与阻尼、谐振频率的关系，阐述了扭摆式加速度计的阻尼机理。

动热源摆式双轴MEMS热加速度计敏感机理的研究

揭示了一种动热源摆式双轴MEMS热加速度计的敏感机理。在给出双轴敏感原理的基础上,通过建立二维物理研究模型、网格划分、加载加速度等方法对双轴敏感结构内的温度场进行了计算。结果表明:(1)开机1.8 s后在敏感结构内形成一个以动热源为中心的温度场;(2)当有加速度加载时,动热源沿着加速度的方向移动,温度场随之偏移,两个正交X、Y敏感轴方向上对称设置的两热线温差ΔT_(X)、ΔT_(Y)随着输入加速度a_(x)、a_(y)的加大呈现线性增长,X、Y两轴平均温度灵敏度为7.2×10^(-2)K/g;(3)根据输入-输出特性a_(x)-V_(XOUT)和a_(y)-V_(YOUT)曲线得到数学模型,X、Y两轴平均灵敏度为0.502 V/g,平均非线性度为2.82%,平均交叉耦合为2.3%,从而揭示了敏感机理。