微加速度计的力学分析

结合有关微加速度计的国内、外最新研究成果 ,以及科研中所遇到的实际动态测试问题 ,重点分析了微加速度计以下几方面力学性能 :频率、冲击载荷下的破坏以及由于尺寸效应引起的部件间的粘附现象 ,这直接关系到微加速度计的工作可靠性。最后 ,对这方面的研究提出了一些思路。     

硅微静电悬浮加速度计实验研究

硅微静电加速度计将静电悬浮技术与微机械加工工艺相结合,在空间微重力环境下通过降低量程可实现极高的分辨率。设计了一种玻璃—硅—玻璃三明治结构、平行六面体状检测质量、体硅加工工艺、低量程的三轴硅微静电加速度计,分析了加速度计的力平衡回路特性。采用基于DSP的数字控制器,实现了检测质量的六自由度稳定悬浮。在大气环境下测试了静电加速度计的性能。测试结果表明:加速度计x轴的带宽为88.1 Hz,量程为0.220 g n;y轴的带宽为118.2 Hz,量程为0.313 g n;z轴的带宽为10.7 Hz,量程为3.53 g n。     

微加速度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。本文就针对一种四边八梁结构的高gn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,并利用有限元仿真软件和测试高gn值加速度计频率特性的方法,对此理论公式进行了仿真和实验验证,证明此理论公式的正确性和可用性。这样,在加速度计结构的设计过程中,可以直接利用此公式计算出结构的固有频率,从而减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。     

微电容加速度计系统的设计

为了在总体上把握硅微加速度计的设计,建立了叉指式硅微加速度计的机械模型,研究了全差分二阶∑-ΔADC接口检测电路提取加速度信号,优化了开关电容电路来检测微小电容变化量,运用微机电专用设计软件CoventorWare对系统的机电混合模型进行仿真,并给出数字和模拟的分析结果,为加速度计系统的机械部分和电路部分的设计提供整体的更接近实际的设计参考。     

谐振原理在硅微机械加速度计中的应用

将谐振原理应用于微硅机械加速度计中，可以改善后者输出信号的质量，降低检测难度。随着微机电系统工艺的发展，谐振式微加速度计巳成国硅微机械加速度计发展的新趋势。     

新型三轴微加速度计设计

新型三轴微加速度计采用单一惯性质量,由四组L型梁对称布置支撑;利用差分电容作为检测接口,测量由于惯性力而引起惯性质量的微动位移;电容的差分结构有利于提高微加速度计的检测性能,实现系统静电力反馈闭环控制.利用ICP深刻蚀技术和静电键合技术等微机电系统工艺完成微加速度计的制作.具有体积小、灵敏度高、功耗小等优点,能够广泛应用于导航系统、汽车工业、PC游戏设备以及其他一些消费电子产品领域.     

基于微加速度计的鼠标系统设计

设计了一种新型的输入设备--微加速度计鼠标系统,该系统融合了MEMS微加速度计和无线射频技术,能够实现传统鼠标的功能.该系统由用户控制和信号接收两部分组成.无线射频技术使得用户控制模块能够摆脱线缆的束缚,在空中自由运动,并可通过人体任何部位进行控制.二维旋转角算法和按键模拟算法的提出,使该鼠标系统能达到比传统鼠标更高的控制精度、更高的DPI,实现无按键的操作.     

基于微加速度计的AIR-MOUSE的研究

本文研究了一种基于微加速度计原理的空中鼠标.该鼠标采用微加速度计来检测手部运动的角度和速度等参数,并通过射频无线传输和USB接口实现与计算机的通信.本文介绍微加速度计、微控制器、无线射频模块、USB通讯等的集成研究,并对无线传输模块的软硬件做了详细阐述.     

微加速度计冲击可靠性及防护

通过实验研究了梳齿电容微加速度计器件在大过载冲击下的失效模式,发现了失效的主要原因是由于弹性梁的断裂,并对实验现象进行了分析和讨论,指出了微加工工艺的不确定性对器件失效的影响。检验了在结构设计中对可动质量块进行限位的作用,可以明显提高器件的抗冲击能力。提出了金属橡胶这一新材料在微加速度计冲击防护中的应用,并对其作用进行了实验验证,结果表明金属橡胶除了靠金属螺旋卷接触点之间的相互摩擦来耗散能量外,还可以明显增加冲击脉冲的宽度,有效的缓冲和吸收冲击能,提高器件的抗冲击能力和可靠性。     

Studies and optimization of the frequency response of a micromachined thermal accelerometer

In the present work, the design of a micromachined thermal accelerometer based on convection effect was studied. The accelerometer sensitivity and especially the frequency response have been experimentally and numerically studied with low cavity volume. Although this type of sensor has already been intensively examined, few information concerning the frequency response modeling is currently available. In particular, no experimental result about frequency response for low volume and their variation according to the external temperature variation was reported in the literature. In certain particular condition, we assumed that a bandwidth of 120 Hz at −3 dB has been measured.By using numerical resolution of fluid dynamics equations with the computational fluid dynamics (CFD) software package Fluent V6.2 and a simple model based on thermo-conduction, a good accordance with the experimental results has been demonstrated. So, the effects of these two parameters like the volume and the external temperature variation on the thermal accelerometer response have been theoretically, experimentally and numerically investigated.     

电容式微机械加速度计测量范围上限设计

测量范围上限设计一直是高gn值微惯性引信研制的一个难题,对差动电容式微加速度计各参数对量程的本质影响及其相互关系进行了研究,理论分析和计算机仿真结果表明:按同一比例尽量减小封装间隙和电极面积,使得受限于临界偏压的外加偏压取值刚好能提供需要的量程,同时使用质量块减薄和打孔并用的方法来提高最大量程,所设计出的加速度计可具有70gn以上量程。     

硅微机械二维加速度计的结构设计

提出了一种新型的双轴电容式微机械加速度计的结构形式。采用1个质量块敏感2个正交方向的加速度,设计的弹性支撑结构巧妙地实现了正交方向的解耦,且结构稳定性好。详细讨论了该加速度计的工作原理,并利用有限元软件对敏感结构进行了静态和模态分析,从理论上验证了所提出的双轴电容式微机械加速度计整体结构的可行性。     

三轴微机械陀螺仪的结构设计与仿真

提出了一种适应国内加工条件的三轴微陀螺仪,依据三轴陀螺的结构和工作原理,利用ANSYS有限元仿真软件对三轴陀螺的设计进行了计算和仿真.在此基础上,通过调节结构参数实现各轴驱动模态与敏感模态固有频率的匹配以提高各轴的灵敏度.最后介绍了加工所采用的工艺.     

微机械陀螺仪检测反馈控制系统研究

以单自由度硅微振动轮式陀螺仪的检测动极板为控制对象,系统的结构特性决定了只能选择反馈控制方式对其进行控制。为实现这种控制对控制系统进行建模以及设计合适的校正环节。反馈方式控制的应用可以有效地改善系统的动态特性和稳态特性。加入校正环节后的系统幅值和相角裕度分别达到了17.5dB和57.3°,这为实际的应用提供了指导。     

微机械陀螺的仿真与优化

微机械陀螺依靠振动模态频率来测量旋转角速度,通常微机械结构的振动模态相当复杂。虽然已有很多文章研究了如何调节驱动模态和敏感模态以获得最大的敏感度,却很少有人分析微机械陀螺的振动模态。振动模态与陀螺结构的设计参数有极大的关系,这些参数包括陀螺检测质量的尺寸、支撑系统的类型和尺寸,以及用以制造陀螺主体的多晶硅的残余应力。研究了一个静电驱动、电容检测、敏感垂直轴角速度的陀螺(也称平面陀螺)。同时,用有限元法分析法对微机械陀螺的结构进行了分析。     

一种基于六姿态模型的加速度计校准方法研究

MEMS加速度计和陀螺仪是惯性导航系统的重要测量组件.为提高惯性导航系统的测量精度,在使用加速度计前需要对其各项参数进行标定.在构建了一种理想的三轴MEMS加速度传感器输出与重力加速度值、零偏、标度因子之间的模型基础上,根据加速度计在静止状态下重力加速度在各轴分量的模值与重力加速度的关系,提出了一种零偏和标度因子的六姿态校准方法,并建立了标定方程.以MPU6050加速度陀螺仪为例,通过实验验证了该方法的正确性.结果表明:通过该校准方法可以有效地提高加速度传感器的零偏和标度因子技术指标精度.