Design, fabrication and experiment of a MEMS piezoresistive high-g accelerometer

High-g accelerometers are widely used in explosion and shock measurement. This paper describes a MEMS piezoresistive high-g accelerometer whose range is more than 50000g. It is designed on the basis of silicon on insulator (SOI) solid piezoresistive chip. The chip has a structure where both ends of the beam are fixed. Through the stress analysis and mode analysis of the accelerometer, the detailed parameters of the structure are established. The experimental results obtained from the drop hammer shock machine test and live-fire test show good properties of the accelerometer such as good output characteristic, repeatability and fast response speed. Therefore, the accelerometer in this paper meets the requirement of explosion and shock measurement basically.     

微加速度计在冲击载荷作用下的失效分析

抗冲击性是加速度计的一个主要性能指标,跌落实验则是一种测试结构冲击作用的有效方式,本文利用跌落实验种折叠梁式微加速度计在冲击载荷作用下的失效模式进行了研究。实验发现在微加速度计中主要存在两种主要的失效模式,即微梁结构的整体破坏和微结构在横向之间的粘附。应用拟静态和能量方法给出微结构在中冲击载荷下的响应。     

全数字挠性加速度计加矩设计与读出精度分析

针对石英挠性加速度计全数字闭环系统设计问题,开展了对加速度计力矩器的结构和工作原理以及与加速度数据输出的关系的分析,对加速度计力矩器的驱动和加速度计的读出精度等方面进行了研究,提出了一种数字脉宽调制(PWM)电路对力矩器进行的驱动方法,该方法不仅实现PWN对加速度计力矩器的驱动,并且该PWM数字电路的占空比参数直接作为加速度数字信号输出。利用PWM数字脉冲对加速度计力矩器进行驱动实现加速度计全数字闭环读出,对加速度计全数字读出系统进行了仿真和实验测试。研究结果表明,在一定范围内,通过调整力矩器外接电阻、PWM频率和逻辑位数,全数字挠性加速度计闭环读出电路可以测得标准偏差为1.5×10-5g,精度为10-4g的加速度值,该方法精简了电路,减少了模拟驱动电路引起的干扰。     

The set up of primary calibration system for shock acceleration in NML

This paper mainly describes Taiwan’s metrology National Measurement Laboratory (NML) to set up and evaluate a shock accelerometer calibration system which follows the ISO 16063-13:2001 standard. The environmental shock testing of electro-acoustics or electronic spare parts, the product packing falling impact, the automobile collision and the helmet impact test and so on are more and more important for quality and safety. In consideration of that, NML has started to establish the primary shock calibration system which calibrates the accelerometer sensitivity and trace to the metric unit since 2009. The shock machine structure comprises three parts; they are the electromagnetic high-speed hammer, airborne hammer and airborne anvil. The shock machine impact source of primary shock calibration system is excited by electromagnetic method.     

磁悬浮飞轮用可重复抱式锁紧装置

针对磁悬浮飞轮锁紧装置用整体碳纤维弹片不便拆卸和一次性锁紧装置不可重复锁紧/解锁的缺点,提出了一种基于分立式弹片释放机构的可重复抱式锁紧装置。介绍了锁紧装置的结构、工作原理和弹片方案,通过将弹片释放机构等效为悬臂梁-质量块模型,对其进行了静力学和动力学分析。基于分析结果,选择灵敏度较高的结构参数作为优化设计变量,并考虑结构强度、解锁力和一阶共振频率,以软件iSIGHT为平台,对弹片进行多学科优化设计。优化结果表明,弹片个数为10时,弹片总质量达到最小为207g,比初始质量477g减少了56.6%。根据优化结果加工了一套锁紧装置,并利用正弦扫频振动和随机振动试验对其进行验证,验证结果显示该锁紧装置能够有效保护飞轮系统。     

曲面过载保护的新型高g值冲击硅微机械加速度传感器的设计

给出一种测量高g值冲击加速度的硅微机械加速度传感器的结构和动力学模型，此传感器为整体式悬臂梁结构，采用硅微机械加工技术制作，便于封装和大批量低成本制造，其敏感方向在硅片平面内，两个压敏电阻分布在悬臂梁的顶端，两个完全相同的悬壁梁沿相反方向分布，四个压敏电阻构成惠斯通全桥连接，悬臂梁的过载保护采用上下两个曲面，一方面有效地提高悬壁梁的过载保护能力，另一方面调节加速度传感器的压膜阻尼，使之接近临界阻尼，有效抑制自由振动模态，提高测量精度。     

一种铰链式高量程加速度传感器及其力学性能分析

提出一种铰链式结构的高量程加速度传感器,该结构可使加速度传感器在保持一定灵敏度的情况下大大提高器件固有频率,从而在更宽的频带内真实地反映冲击过程的加速度信号波形.建立简化模型和改进模型分析该加速度计的力学性能,并用ANSYS模拟验证两种模型的计算结果.其中改进模型考虑了质量块的变形以及梁和铰链的质量影响,提高了器件固有频率的计算精度,计算结果更接近于ANSYS分析结果.最后由模拟分析数据得出该加速度计结构参数的优化.     

一种新型差动式压电加速度传感器

设计了一种新型的差动式压电加速度传感器。介绍了传感器的结构和工作原理,推导了传感器的数学模型,并分析了传感器惯性质量块和压电元件的质量对其输出特性的影响。然后,分析了传感器处理电路的结构,推导了该电路的设计指标。实验结果表明,该传感器采用单个惯性质量块实现了对加速度信号的差动式测量,其结构简单、重量轻、易于加工制造、抗干扰能力强;线性度为0.1%,是普通加速度计的1/2;频率响应误差为1%;重复性为1.27%;测量灵敏度是普通加速度计的2倍,基本达到了设计的目的。     

高量程压阻加速度传感器横向响应的测试及分析

文中提出了一种高量程压阻加速度传感器的灵敏度和横向灵敏度参数在动态冲击环境下的简易测试方法.采用金属杆自由落体的比较法,即将待测试的加速度传感器和已标定过的加速度传感器以背靠背的形式固定在金属杆的尾端,金属杆从一定高度自由落下与放置在地面上的金属砧发生相互碰撞,利用双通道放大器和计算机数据采集系统同时记录两路信号.实验中分别对6 000 g和60 000 g的压阻加速度传感器进行了研究,该方法具有较好的重复性和可靠性,并分析了测试偏差来源对横向响应的影响.     

压电式加速度传感器的结构改进与设计

介绍了压电式加速度传感器的结构特点与工作原理。通过对传统的压电式加速度传感器结构的深入分析和试验，发现其有一定的局限性，为此对其进行了结构改进的尝试，经实验测试，表明其在性能上有一定的提高。同时对其新的设计结构和发展趋势进行了技术性的演讲与预测。     

低热机械噪声的梳齿式加速度计

文中介绍了一种基于低噪声梳齿变面积型加速度计.采用体硅加工工艺,利用SOI材料30 μm顶层硅制造垂直梳齿,梳齿数目达200对,提高了初始电容,能够充分利用尺寸空间,获得具有低噪特性的加速度计.该种形式的加速度计不需要真空封装,也不需要制作阻尼孔就能满足低噪声要求.器件采用三层材料,利用硅-玻璃键合和BCB键合实现,能够有效提高成品率,并给出了成功流片后得到的SEM照片.最后,对器件进行了频谱响应曲线的测试,测试得到器件在非真空封装及无阻尼孔情况下Q值高达156.95.测试结果表明该器件的设计简化了制造工艺,降低了成本,同时得到提高了Q值,能够降低热机械噪声.     

微加速度计摆片质量的测量方法研究

梳齿式微机械加速度计摆片的质量是影响其性能的重要机械参数,获得实测值十分必要。提出一种基于开环频率响应试验和静态静电力试验求取摆片质量的方法,由加速度计的开环传递函数及摆片的力平衡方程,得到包含摆片质量的方程组,通过求解该方程组得出摆片的实际质量。对具体加速度计的试验结果表明,该方法能准确地估算摆片的实际质量,并能在制造现场使用,不需要特殊的测量环境和仪器设备,是一种简便而有效的试验方法。     

基于MEMS技术梁膜结合压阻式加速度计的设计

提出了一种压阻式加速度计的新结构模型,采用梁膜结合结构方式,提高了低量程微硅压阻式加速度计的固有频率,减小了挠度对加速度计输出线性度的影响.通过有限元ANSYS仿真软件对结构模型进行静态和模态分析,发现在相同的负载条件下,新结构与传统结构相比,其固有频率平均提高了39%,挠度平均下降了39%,并对影响灵敏度、固有频率等主要指标的因素讨论分析,确定传感器的电阻分布和结构参数,对其结构进行优化.最后设计了版图及一套可行的工艺流程,采用各向异性化学腐蚀技术在单晶硅上制作压阻式加速度计,并与玻璃衬底阳极键合,从而提高加速度计的可靠性.该加速度计具有小尺寸、高频响、高精度的优点.     

Effective accelerometer test beds for output enhancement of an inertial navigation system

This paper is submitted upon a research to enhance the output of an accelerometer widely used in inertial navigation units. In our study we introduce relatively simple and effective test beds to collect accurate and diverse reference data. We also carried out calibration runs with a highly accurate electromechanical shaking table. The proposed test beds compare well with sophisticated counterparts. The collected data is used to train artificial neural networks (ANNs) which would improve the accelerometer outputs by estimating the reference data from the actual sensor outputs. The ANN performance is compared with classic low pass filtering methods to provide a relative performance criterion. In this paper we focus on test beds rather than to give the details of the whole study. The test beds introduced in this research can be used for acquiring reference data for implementation of other different filter methods as well.     

A simply constructed but efficacious shock tester for high-g level shock simulation

A simply constructed shock tester, different from existing drop table machines, is developed for high-g level shock environment simulation. The theoretical model, structure design, and working principle of the drop tester are described. A prototype device is set up, where a carbon fiber reinforced polymer with a high specific modulus is used. Using a Bru?el & Kj?r high-g accelerometer, experiments to verify the validity of the design are carried out and results are given. The maximum acceleration level is in excess of 60 000 g, limited only by the manual driving force.     

灌封对高量程微机械加速度计封装的影响

灌封是高量程微机械加速度计实用化的一个关键步骤。文中根据自制的一种压阻式高量程micro-electro-mechanical system(MEMS)加速度计芯片及一种实用的封装结构，对其有限元模型进行模态分析和高g值加速度载荷下的响应分析。封装结构的模态频率随着灌封胶弹性模量的增大而增大。但弹性模量过小时，模态频率反而比未灌封时低，可能会干扰输出信号。对器件加载10万g加速度表明，器件的模拟输出电压值随着灌封胶弹性模量或密度的增加而缓慢减小。模拟输出电压值与解析解很接近。封装之后传感器的模拟输出电压与加速度载荷具有良好的线性关系。     

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.     

电容式微加速度计结构的建模及仿真

建立了电容式微加速度计的结构模型,运用有限元分析方法对其进行模态分析,研究了微加速度计结构尺寸对谐振频率和模态振型的影响,得出了结构尺寸对这两者的影响规律,为此类加速度计的结构设计提供了依据。     

冲击传感器内装电路的减振分析

通过分析冲击传感器内装电路受到高g值的冲击振动时的失效机理,设计了冲击传感器内装电路的减振方案,建立了单层、双层减振系统的力学模型,推导出减振系统的动力学方程组,并搭建出Simulink求解模型,最后对比了某冲击传感器内装电路数值仿真结果和试验数据,可供冲击传感器减振设计参考.     

Uniaxial fiber Bragg grating accelerometer system with temperature and cross axis insensitivity

In this paper we describe the implementation and test of an optical fiber based accelerometer with cross axis insensitivity. The accelerometer uses two matching fiber Bragg gratings which are also responsible by the demodulation of the wavelength encoded information. The accelerometer was tested in a reinforced concrete slab, of a 3-storey building located at the University of Aveiro, Portugal. A maximum error of 0.25% for the slab eigenfrequencies was obtained when compared with the values acquired by an electronic sensor.