微加速计固有频率的推导及验证

为了解决压阻式加速度计的动态特性欠佳的共性,避免微加速度计在工作过程中因为共振导致结构损坏,在结构设计过程中选择合理固有频率是至关重要的. 文中针对一种四边八梁结构的高g值压阻式加速度计,通过力学知识,简化结构并推导出其固有频率的理论计算公式,利用有限元仿真软件和测试高g值加速度计频率特性的方法,对该理论公式进行了仿真和实验验证,证明该理论公式的正确性和可用性. 同时,文中介绍的简化结构的模型,能够用于复杂结构的应力、应变等的求解,验证的实验方法可以用于高g值加速度计固有频率的测试.而且,在加速度计结构的设计过程中,直接利用固有频率公式计算出结构的固有频率,从而简化加速度计的结构设计和优化过程,设计出最合理的固有频率结构.     

微加速度计在冲击环境下的力学分析与仿真

微加速度计用于测量载体的加速度,并提供相关的速度和位移信息。该文主要对一种硅基压阻式高加速度g(g=9.8m/s2)值微加速度计在冲击加速度环境下进行有限元仿真分析。分析结果表明,所设计的压阻式高g值微加速度传感器在15×104 g量程内可正常并有效工作,且可承受40×104 g高速冲击,当加速度超过40.8×104 g时,加速度计发生失效变形。分析了加速度计在冲击环境下的主要失效模式及失效机理,得出了压阻式加速度计在冲击环境下的失效主要从梁与边框和质量块连接处开始,随着冲击时间(即冲击强度)的增加,结构应力逐渐达到屈服极限,材料发生屈服效应,然后发生断裂。     

高g值压阻式加速度计设计与仿真

研究了一种具有高灵敏度、小尺寸的四端梁结构的压阻式加速度计。利用有限元软件对不同悬臂梁、质量块尺寸的结构建立模型,并对该结构进行了灵敏度与应力分析、模态分析,以及动态响应分析。仿真研究结果表明,在50kg量程内,传感器轴向灵敏度达到7.40μV/g,横向灵敏度为0.33%,线性度为0.06%,响应时间为20.3μs,固有频率为111.2kHz。抗冲击性能能达到334000g,可以满足高g值环境下的测试需求,同时该研究为研制高性能传感器提供了一种准确且高效的仿真方法。     

介观压阻型硅锗加速度计研究

提出以介观压阻效应为工作原理制作高灵敏度压阻式硅锗加速度计,采用Si1-xGex/Si结构薄膜作为敏感元件,设计了一个双悬臂梁式的压阻武硅锗加速度计,通过理论分析与仿真计算,得出通过调整对该结构的外加应力可以实现对传感器灵敏度的调节,而且利用介观压阻效应原理可以将压阻式硅微加速度计的灵敏度提高一个数量级的结论,为设计新型压阻式硅微加速度计提供了一种思路.     

一种新型压阻式微加速度计的研究与设计

对于广泛采用的压阻式微加速度计,在传统工艺下,提高量程和固有频率意味着增加梁厚,减小应力,而提高灵敏度又要求减小梁厚,这是相互矛盾的。设计了一种4边4梁结构的高过载压阻式微加速度计,在传统梁-岛结构微加速度计的基础上进行了改进,采用主梁和微梁相结合的设计思想,在提高固有频率、量程的同时提高了灵敏度。在梁的末端采用了新式的延伸梁结构设计,有效地消除了集中应力的现象,提高了结构的抗过载能力。对其进行了阻尼分析和压阻元件的设计,并给出了可行的版图设计方案。仿真结果表明,该微加速度计的各项指标均满足设计要求,具有明显的优越性。     

一种压阻式高g值加速度传感器

讨论了硅的压阻效应 ,利用简化的力学模型设计了高 g值压阻加速度传感器的结构参数、工艺流程和版图 ,并制备出样品 ,测试结果表明本传感器加速度可大于 80 0 0 g。     

单片集成的高性能压阻式三轴高g加速度计的设计、制造和测试

设计、制造并测试了一种单片集成的压阻式高性能三轴高g加速度计,量程可达105g.x和y轴单元均采用一种带微梁的三梁-质量块结构,z轴单元采用三梁-双岛结构.与传统的单悬臂梁结构或者悬臂梁-质量块结构相比,这两种结构均同时具有高灵敏度和高谐振频率的优点.采用ANSYS软件进行了结构分析和优化设计.中间结构层主要制作工艺包括压阻集成工艺和双面Deep ICP刻蚀,并与玻璃衬底阳极键合和上层盖板BCB键合形成可以塑封的三层结构,从而提高加速度计的可靠性.封装以后的加速度计采用落杆方法进行测试,三轴灵敏度分别为2.28,2.36和2.52 μV/g,谐振频率分别为309,302和156 kHz.利用东菱冲击试验台,采用比较校准法测得y轴和z轴加速度计的非线性度分别为1.4%和1.8%.     

单片集成的高性能压阻式三轴高g加速度计的设计、制造和测试

设计、制造并测试了一种单片集成的压阻式高性能三轴高g加速度计,量程可达105g.x和y轴单元均采用一种带微梁的三梁-质量块结构,z轴单元采用三梁-双岛结构.与传统的单悬臂梁结构或者悬臂梁-质量块结构相比,这两种结构均同时具有高灵敏度和高谐振频率的优点.采用ANSYS软件进行了结构分析和优化设计.中间结构层主要制作工艺包括压阻集成工艺和双面Deep ICP刻蚀,并与玻璃衬底阳极键合和上层盖板BCB键合形成可以塑封的三层结构,从而提高加速度计的可靠性.封装以后的加速度计采用落杆方法进行测试,三轴灵敏度分别为2.28,2.36和2.52 μV/g,谐振频率分别为309,302和156 kHz.利用东菱冲击试验台,采用比较校准法测得y轴和z轴加速度计的非线性度分别为1.4%和1.8%.     

多晶硅薄膜压阻系数的理论研究

利用应力退耦模型,分别对多晶硅薄膜晶粒中性区和晶界势垒区的压阻系数进行了理论分析,并推导出多晶硅压阻系数的表达式.实验结果表明,利用文中推导出的理论公式所获得的计算值与实验测量结果基本符合,所给出的有关多晶硅压阻系数的理论结果可以作为多晶硅特性分析的理论依据.     

多晶硅薄膜压阻系数的理论研究

利用应力退耦模型,分别对多晶硅薄膜晶粒中性区和晶界势垒区的压阻系数进行了理论分析,并推导出多晶硅压阻系数的表达式.实验结果表明,利用文中推导出的理论公式所获得的计算值与实验测量结果基本符合,所给出的有关多晶硅压阻系数的理论结果可以作为多晶硅特性分析的理论依据.     

基于双悬臂梁结构的光纤加速度传感器

为消除悬臂梁结构加速度传感器由于光纤表面粘贴产生的啁啾现象,增强横向抗干扰能力,提高共振频率,提出了一种基于双悬臂梁结构的光纤加速度传感器。给出了理论分析结果,建立了有限元模型,得到了加速度灵敏度表达式,并且探讨了在共振频率不变的情况下提高加速度灵敏度的方法。实验结果表明,该传感器在6～50 Hz内频响平坦,加速度灵敏度为14pm/g,抗横向干扰能力达20dB,与理论计算较好地吻合。     

一种基于新型双轴圆弧铰链的二维FBG加速度传感器

为了实现大跨度桥梁中拉索构件的二维(two-dimensional, 2D)振动信号高精度测量,本文设计并研究了一种小型化的新型2D光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)加速度传感器,以解决现有FBG加速度传感器体积与质量较大的问题。所设计的FBG加速度传感器主要由含有质量块的双轴圆弧铰链、4个固定支架,以及刻有4段阵列FBG的光纤组成。通过建立FBG加速度传感器的动力学普遍方程,得到灵敏度与固有频率的理论数值,另外辅以Abaqus软件对其进行有限元仿真以验证理论推导的结果。实验测试数据表明,FBG加速度传感器的固有频率约为500 Hz,双FBG的布置使其灵敏度可以达到595.2 pm/g,此外对称推挽的圆弧铰链设计还具有优异的横向抗干扰和温度自补偿性能。最后以某中承式钢管混凝土拱桥为实际工程案例,使用所设计的2D FBG加速度传感器实现了吊索索力的有效测量。     

基于弹性管的光纤布拉格光栅加速度传感研究

为实现光纤光栅加速度测量,提出了一种基于弹性管的两点式封装光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器。首先理论分析了其传感原理,并建立了其响应灵敏度的解析表达式,通过引入加速度理想灵敏度的概念,讨论了此类型加速度灵敏度的频率响应;其次,基于该模型设计了FBG加速度计,实验研究了加速度的幅频响应特性、谐振频率和加速度的线性响应。结果表明:在小于共振频率的低频段具有较好的平坦区,加速度与波长具有较好的线性关系,线性度为99.8%,加速度响应灵敏度为63.0pm/G。实验值与理论值的相对误差为0.98%,实验与理论吻合的较好。     

Simulation of the potting effect on the high-G MEMS accelerometer

The package structure of a high-G microelectromechanical systems (MEMS) accelerometer was studied using the finite element method. When the Young’s modulus of the potting resin is E<1 GPa, vibration of the package behaved as vibration of the potting resin at natural frequencies much lower than those of the header. Potting resin with E≥5 GPa was rigid enough and suitable for the potting of the accelerometer. Under a 100,000-G acceleration, the output voltage of the accelerometer decreased slightly (by about 0.1%) with the increase in Young’s modulus or density of the potting resin. The simulated output voltage was close to the analytical solution, well linear with the acceleration applied. The potting effect on the output voltage of the accelerometer could be ignored.     

叠加电桥检测的加速度传感器的设计

This paper describes the design,simulation,processing and test result of a high sensitivity accelerometer based on the piezoresistive effect which uses an overlay bridge detection method.The structure of this accelerometer is supersymmetric "mass-beams".This accelerometer has 8 beams,where two varistors are put in the two ends.Four varistors compose a Wheatstone bridge and the output voltages of the 4 Wheatstone bridges have been superimposed as the final output voltage.The sensitivity of the accelerometer can be improved effectively by these clever methods. A simplified mathematical model has been created to analyze the mechanical properties of the sensor,then the finite element modeling and simulation have been used to verify the feasibility of the accelerometer.The results show that the sensitivity of the accelerometer is 1.1381 m V/g,which is about four times larger than that of the single bridge accelerometers and series bridge sensor.The bandwidth is 0-1000 Hz which is equal to that of the single bridge accelerometers and the series bridge sensor.The comparison reveals that the new overlay detection bridge method can improve the sensitivity of the sensor in the same bandwidth.Meanwhile,this method provides an effective method to improve the sensitivity of piezoresistive sensors.     

Analysis on the mutual inductance of planar transformer in CMOS technology

An analytical formula for calculating the mutual inductance of planar transformer has been developed in CMOS technology. The proposed formula can predict different turn ratios between primary and secondary coils. Two on-chip transformers have been measured to verify this formula, the results demonstrate the proposed formula is feasible. Furthermore, the equivalent circuit and the corresponding model are proposed to describe the high frequency behavior.     

固有频率压电堆激励无损测量方法

提出一种利用压电堆激励测量结构固有频率的方法,该方法利用压电堆产生纳米级微小振动对结构进行扫频激励。与传统的采用振动台激励、锤击等固有频率测量方法相比,所提出的方法激振幅度小,对于阻尼小、品质因数高且达到共振频率时位移放大系数大的结构,也不会产生破坏。设计了品质因数很高的悬臂梁结构进行实验,为准确探测微小振动信号,采用电涡流传感器测量位移,并使用锁定放大器提高信噪比。仿真与实验数据表明,该方法准确有效,可实现对结构固有频率的无损测量。     

一种微机械压阻式加速度传感器及其设计优化

给出了一种新型的微梁直拉直压的微机械压阻式加速度传感器的工作原理。该设计能同时提高传感器的灵敏度和自由振动频率。基于分析模型 ,本文还给出了传感器的结构优化和各种量程的设计规则。采用SOI硅片和深反应离子刻蚀 (DRIE)工艺给出了传感器的制造和测试结果     

MEMS压阻加速度传感器阻尼特性研究

研究了空气阻尼对MEMS压阻加速度传感器性能的影响,建立了传感器动力学模型和空气阻尼模型,分析了空气间隙大小与传感器阻尼系数的相互关系,通过控制空气间隙可以达到控制加速度传感器阻尼的目的。根据分析结果设计了三明治结构封装的传感器,应用有限元仿真软件,对传感器的应力和应变进行了仿真计算,完成传感器结构参数设计;采用MEMS体硅加工工艺和圆片级封装工艺,制作了MEMS压阻加速度传感器。测试结果表明,采用三明治结构封装形式,可以控制压阻加速度传感器的阻尼特性,为提高传感器性能提供了途径。