基于共振隧穿微结构的GaAs基加速度计

介绍了一种基于共振隧穿微结构的GaAs基四梁式加速度计，设计了共振隧穿微结构以及GaAs基加速度计的结构，分析了加速度计的力学特性，讨论了加速度计的加工工艺，并利用该工艺在国内首次制作出加速度计。在分析了串联电阻的影响后，设计了加速度计的输出信号提取电路，并通过实验测试了该加速度计的线性度和灵敏度。结果表明：该加速度计的输出具有较好的线性度，而灵敏度比硅材料的最大压阻灵敏度高一个数量级，适合于高精度测试场合。     

一种MEMS硅微三维加速度计设计

在压阻式硅微二维加速度计的基础上,提出了一种MEMS硅微三维加速度计.该加速度计微结构包括由四梁-柱体组成的二维水平检测单元和双T型垂直检测单元两部分,通过双T型检测单元和微型柱体与四梁检测单元检测空间三维方向的加速度值.建立了该结构的数学模型并用有限元分析软件Ansys对敏感弹性元件进行力学特性分析.最后对加工出的加速度计进行性能测试.测试结果表明,该加速度计3个方向频响曲线平坦、灵敏度高、线性度好,轴间耦合度小,X向灵敏度为2.17 mV/g,非线性度为0.63％,y向灵敏度为2.08 mv/g,非线性度为0.75％,Z向灵敏度为1.66mV/g,非线性度为1.13％.     

斜端面Hopkinson杆校准多维高g值加速度计方法研究

为了对多维高g值加速度计灵敏度系数进行校准,提出一种斜端面Hopkinson杆实现多维加速度计量脉冲方法。首先,通过ANSYS/LS?DYNA有限元软件分析了斜面角度和激励脉宽对斜面上质点波形的影响,定义杆端斜面部分沿杆轴向投影L与激励脉冲波长λ的比值为δ;其次,利用改进的斜端面Hopkinson杆对三轴加速度计中2个轴的灵敏度及交叉灵敏度系数进行同步校准,得到不同气压下灵敏度系数矩阵。研究结果表明：δ并不是决定斜面质点加速度波形的唯一参数,但对相同L的校准杆,δ值越小,斜面各质点加速度波形越趋于一致;因轴间耦合作用,双轴同步校准得到的各主轴灵敏度系数要小于单轴依次校准,且z轴方向激励（安装面法线方向）对y向（安装面切向）输出影响较大。     

高g值压阻式微加速度计设计

利用加速度计的机械变形导致电阻的变化,设计了一种测量高g值的加速度计。在CoventorWare软件下建立了加速度计的加工工艺流程和实体模型。利用压阻分析模块MemPZR,采用FEM分析方法,通过改变压阻块在悬臂梁上的位置,得到压阻块位置与器件输出电流之间的关系,找到了压阻块在悬臂梁上的最优放置位置。改变压阻块的电导率,验证了器件的灵敏度变化与压阻率变化的趋势是一致的。在20 kg加速度的输入下,得到了压阻块应力的分布,以及电流的大小及分布,和悬臂梁的应力大小及分布,验证了加速度计的抗过载能力。     

基于表面微机械技术的压阻式加速度传感器

文中介绍了一种以表面微机械技术制造的带有片上静电自检测功能的压阻式加速度传感器.该芯片制造利用了表面微机械加工技术,以低应力氮化硅薄膜为结构材料,多晶硅作为压阻材料,引入了准LIGA的电镀铜工艺,实现了一款低成本、与IC制造工艺相兼容的压阻式加速度传感器.电镀的铜质量块使压阻输出获得了足够高的灵敏度.利用金属质量块和衬底形成的一对电极,实现了可片上检测器件是否正常工作的片上静电自检测功能.传感器测试结果表明,加速度输出灵敏度为25.1 μV/g,-3 dB频率带宽为1.3 kHz.     

一种新型的压阻式硅微二维加速度计的设计

以压阻检测技术为基础并结合硅微MEMS加工技术设计了一种二维加速度计微结构,期望利用该新型的结构提高加速度计的灵敏度,实现二维方向的加速度检测.该加速度计采用四个相互垂直的悬臂梁支撑中间有刚硬柱体的结构,通过利用合理布置的压敏电阻构成的惠斯通电桥测量水平面内两个方向的加速度.建立了该结构的数学模型并用有限元分析软件ANSYS对敏感弹性元件进行分析.最后对加工出的加速度计进行了相关的测试.测试结果表明:该加速度计水平面内两个方向的灵敏度高、线形度较好,X向灵敏度为0.755 2 mv/g,线性度为0.999 67,Y向灵敏度为0.683 3 mv/g,线性度为0.999 66.     

振动整流法辨识加速度计非线性误差模型系数

为了研究精确标定加速度计在线振动与高g的环境下的误差模型系数的方法.首先介绍了双轴离心机的特点.在反转平台上设计了双轴夹具,然后精确计算了加速度计3个轴的输入比力.经过主轴和反转平台轴正反角位置静态实验,以及主轴与反转平台轴以等值反方向的匀角速率旋转的动态实验,通过振动整流法,并补偿掉静态均值,精确辨识了加速度计的误差模型系数.依据仿真结果可得:该实验方法能够抑制离心机误差对标定精度的影响,其中反转平台的静动态失准角对标定影响最大,应该提高离心机静动态失准角的测试精度,并加以补偿.     

HEMT高灵敏度微加速度计的设计与测试

根据压阻传感原理设计了GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)器件与Si基悬臂梁-质量块结构集成的微加速度。通过ANSYS结构应力仿真,GaN基HEMT作为敏感单元置于微悬臂梁结构根部的应力最大处。同时对微加速度计的关键研制工艺进行了设计和研究,成功制备出具有力电耦合特性的传感结构。并且测试了微结构在静态0～10g的惯性测试,结果表明GaN基HEMT器件具备明显的力电耦合效应,该微加速度计的灵敏度为0.24 mA/g,线性度为12.4%,适合研制高灵敏度的微加速度计。     

基于柔性铰链机构的谐振式微加速度计设计制作

为设计制作高灵敏度、高稳定性的谐振式微加速度计,基于微制作工艺,采用柔性铰链机构和双端固定音叉谐振器设计了微加速度计结构;分别用解析法和有限元方法分析了加速度计的理论灵敏度,同时进行了谐振器结构优化设计;根据检测原理设计制作了测试用电路板,给出了开环谐振频率测试结果以及闭环时加速度测试结果。测试结果表明所设计的谐振式加速度计工作稳定,灵敏度约为55.03Hz/g,分辨力约为182×10-6g。     

三轴数字MEMS加速度计现场标定方法

微机电系统(micro electro mechanical systems,简称MEMS)加速度传感器作为低成本惯性测量单元在物体姿态监测中有着广泛应用。根据三轴数字加速度传感器的输出数学模型,详细推导了如何计算数学模型中标度因数、安装误差系数以及零偏值。提出一种基于长方体的六位置简单标定方法,对比三轴转台精确标定结果表明六位置简单标定法简单易行,精度较高,易于单片机实现,适合不具备三轴转台的场所,且该方法对MEMS三轴数字加速度计的校准具有很好的通用性。     

高量程加速度计动态线性校准系统

设计了双弹头霍普金森杆用于精确标定高g值加速度计的动态线性参数。基于一维应力波传播理论和弹性波叠加原理,分析了双弹头霍普金森杆为不同尺寸时对获取所需激励加速度信号的影响。利用ANSYS/LS-DYNA有限元仿真软件对不同设计条件下双弹头霍普金森杆的冲击效果进行了仿真分析。通过对不同影响因素的对比,确定了结构参数,设计了直径为30mm,长度为1 200mm的双弹头霍普金森杆,即高量程加速度计动态线性校准系统。利用设计的双弹头霍普金森杆对高量程加速度计进行了动态线性校准和试验验证,结果显示加速度计动态线性误差在5%以内,证明了设计的装置可对高量程加速度计进行动态线性校准,校准结果基本满足冲击校准的要求。     

激励脉冲宽度对加速度计冲击校准误差的影响

加速度计准静态校准要求激励信号的频率与加速度计谐振频率相比足够低,以减小校准误差.通过加速度计数学模型建立了激励加速度脉冲宽度、加速度计谐振频率和校准误差之间的关系式;针对Hopkinson杆冲击校准装置,理论计算和实验结果表明,激励加速度脉冲宽度决定于应力脉冲前沿宽度,受应力波弥散影响,而与加速度计安装座长度无关.为选用和产生满足要求的激励脉冲信号提供了依据.     

基于三轴加速度计的多维力传感器静态自校正

提出了一种多维力传感器的静态自校正方法.将三轴加速度计静态应用,可以测得其敏感轴与重力加速度的相对夹角.将多维力传感器中集成三轴加速度计,在校正过程中,旋转施加着标准砝码的多维力传感器,测量力传感器的输出,同时通过三轴加速度计测量力传感器的旋转角度姿态,计算得到砝码重力施加在传感器E的力向量,最终自动地得到多维力传感器的校止矩阵.实验结果表明,该方法显著地提高了校正效率,但与通常的标定台校正方法相比,较正精度略低.     

加速度传感器互易校准的新方法

在传统的加速度传感器互易校准的基础上,提出了一种新的互易校准方法,该方法采用任意激励方式取灵敏度比γ1,从而大大地降低了传统互易校准方法对计量设备与校准技术的要求,而该方法可方便地推广应用于一般工程单位或工程现场。     

多维角加速度传感器静态标定方法研究

在线加速度传感器静动态标定方法的基础上，根据质量一转动惯量等效原理，提出多维角加速度传感器的静态标定方法。针对一种一体化三维角加速度传感器结构，分析了利用等效力计算等效力矩的过程，进而详细推导出标定的等效数学模型．并在假定结构尺寸的基础之上，计算出具体的等效惯性力矩和等效惯性力，实现了对多维角加速度传感器的静态标定。     

R电容式硅微加速度传感器静态误差的标定

静态误差广泛存在于各种加速度传感器的应用中,对于误差的标定非常重要。本文介绍了电容式加速度传感器的结构,并分析其工作原理。对于加速度传感器的量程,采用精密离心机来标定静态误差,具体介绍了离心机实验过程,成功地实现了对加速度传感器静态误差的标定,并给出了电容式加速度传感器的标定数据和结果,标定结果使加速度传感器测量的线性度得到了很大的提高。标定方法也适用于其他类型加速度传感器。     

SAW加速度计量程调整及计量标定方法研究

提出了用声表面波滤波器测知加速度方向和大小的方法，研究了电容器中的静电吸引力对加速度计敏感质量块的位置稳定作用，以及用它扩大悬臂梁式加速度计量程的原理。用SAW滤波器和电容器中的静电吸引力扩大和调整了悬臂梁式基本加速度计的量程之后，需要对量程调整后的加速度计测量值进行校准和计量标定。本文利用精密离心机转速与其向心加速度之间的对应关系对SAW加速度计的测量数据进行了计量标定。     

一种压电式六维加速度传感器的校准方法研究

基于多只压电式单轴加速度传感器的压电式六维加速度传感器的传感误差主要由多只压电式单轴加速度传感器的安装误差和输出误差决定.为了对压电式六维加速度传感器的传感误差进行估计和补偿,提出并研究了一种压电式六维加速度传感器的校准方法,建立了压电式六维加速度传感器的校准模型.在此基础上,分析了校准过程中加速度激励误差对校准结果的影响和最佳角加速度激励频率的范围,建立了对校准误差进行估计的方法.研究结果表明,利用所建立的校准方法和校准误差估计方法不仅能够准确地实现压电式六维加速度传感器的校准,而且能够对校准结果的误差进行估计.该研究工作为压电式六维加速度传感器的误差补偿和精度提高奠定了基础.     

Fabrication and measurement of high-g MEMS accelerometer

A high-g beam-mass structure accelerometer was designed. In this structure, by means of KOH back etching on the mass, V-groove structure was fabricated on the backside of the mass, so the weight of the mass and also the relative distance between the mass center and the neutral plane were all decreased. With the thin mass structure, we can take advantage of both beam-mass structure and flat film structure ; the fabrication process is also simple. By means of Hopkinson shock test system, we did the accelerometer calibration. According to the test result,the sensitivity of the MEMS accelerometer is 0.71 μV/g, which keeps in accordance with the theoretical calculation. After a 200 000 g shocking test, the micro structure worked as usual, so this design can satisfy the requirements of high shock, seriously vibration test environment.