叉指微加速度计的设计与闭环检测研究

设计了一种“叉指式”微机械加速度计和相应的闭环检测电路,介绍了此微加速度计的加工工艺,并使用Ansys软件进行了模态分析和机械分析,仿真结果跟理论计算相吻合。最后对该闭环微加速度计进行了测试,得到的测量线性度为2.5%,刻度因子为3V/g。     

一种工程化微机电加速度计研制

提出一种"三明治"电容式检测原理的闭环微机电加速度计敏感结构,并对该敏感结构基础电容及微机电加速度计量程、标度因数等主要指标进行了设计,通过模态仿真验证了该结构参数对工作模态和干扰模态之间频率隔离的有效性。设计了分立电路闭环整表双腔封装/组装方案,实现了微机电加速度计整表样机,并对该样机量程和一次通电稳定性指标进行了测试。测试结果表明:该加速度计实现了量程大于±50 g_n,一次通电稳定性(1 h,1σ)达到了5.97×10~(-5)g_n。     

三维MEMS加速度计的性能测试方法与分析

文章针对一种三维MEMS加速度计,提出了三维加速度计的测试方法,并根据测试结果对此加速度计进行了性能分析。通过对其设计原理和内部结构的描述,指出该型MEMS加速度计的结构优点及性能特点。针对该加速度计,作者设计了测试装置,制作了测试电路,并在文章中详细描述了测试原理及整个测试过程。分别在三个方向上,对此三维MEMS加速度计进行了多次对比测试,同时采集包括标准加速度计输出和MEMS加速度计三向输出在内的四路信号,以便进行冲击方向上两加速度计的横向对比和三向MEMS加速度计的轴间耦合分析。测试结果表明,此测试方法和装置是可靠有效的,且具有一定的通用性可用于其它类似传感器的测试分析中。     

惯导系统中石英加速度计的动态测试方法研究

针对载体运动状态下惯性导航系统(INS)定位精度受加速度计动态性能的影响,提出一种动态环境下的石英加速度计的误差分离测试方法。建立了石英加速度计动态环境下的模型,设计了转台模拟载体机动的工作环境,分析了动态测试原理,并根据测试结果对其性能进行分析。试验结果表明:提出的加速度计动态测试方法可以有效地得到石英加速度计的动态性能指标。     

硅微阵列陀螺仪的仿真、设计与测试

为了提高硅微机械陀螺仪的精度和工作可靠性,提出了一种新的硅微阵列陀螺仪结构设计方案。该陀螺仪由4个质量块构成,采用半解耦结构设计,结构完全对称,驱动模态和检测模态的频率匹配性好。分析了硅微阵列陀螺仪的结构和工作原理,并利用ANSYS有限元软件进行了结构仿真,通过调节结构参数实现了各驱动模态与敏感模态固有频率的匹配。对阵列陀螺仪样品进行了测试,实验测试结果表明,驱动模态存在3个振型,同频反相振动的幅值最大,与仿真结果一致。     

基于阶跃响应的加速度计Q值测试方法研究

随着电容式加速度传感器的广泛使用,对其品质因子、谐振频率等关键参数的器件级测试显得尤为重要.本文提出了一种简单有效的加速度计品质因子测试方法--阶跃响应测试法,详细分析了其测试原理及测试结果,并与传统的静电激励扫频测试法进行了对比.结果表明:两种测试方法中等效电刚度的不同,造成了测试结果的差异.     

电容式微加速度计的研制

以一个电容式微加速度计为设计实例来介绍了基于IP库MEMS设计的流程,其中主要包括四个部分:原理分析,结构设计,工艺流程和版图设计,封装及电路测试。首先根据需求设计出加速度计的基本结构;然后对该结构进行工艺流程和版图的设计;并利用虚拟工艺来进行仿真和可加工性验证;得到的三维结构通过接口导出到FEM中进行数值分析;接着将数值分析的结果进行基于FEM的运动学建模;求解得到的运动规律,以宏模型的形式存入IP库中;与此同时,利用虚拟运行进行可视化行为级的仿真。     

静电刚度式谐振微加速度计设计

运用梁的横向振动特性分析了梁振动频率与平行板电容形成的静电刚度的关系,并以此设计了静电刚度式谐振微加速度计。在加速度作用下,检测质量产生的惯性力使电容器极板发生位移来改变电容结构的间隙大小,从而使谐振频率发生变化,通过检测频率变化量来测量输入加速度的大小。根据加速度计的工作原理说明检测过程中梁的机械刚度保持不变,只与产生静电刚度的电容间隙变化相关,减小了检测信号对机械误差与残余应力的依赖性。运用加工参数进行理论计算得出加速度计的灵敏度为21．17Hz／gn,在CoventorWare2005中进行仿真表明：加速度计的固有频率为23．94kHz,灵敏度约为20Hz／gn,与理论设计值相近。     

六轴加速度计的结构原理与阻尼振动设计

静电悬浮加速度计为当前国际上精度最高的一类加速度计 ,本文的设计目标为 :量程 12 .5 μgn,灵敏度 1ngn,带宽 0 .1Hz。从静电悬浮加速度计的敏感结构设计出发 ,详细地论述了该类加速度计的电容位移检测原理和微弱加速度检测原理。通过适当的电极配置设计 ,并对六路差分电容输出进行适当的线性组合 ,探讨了该加速度计的六轴检测功能 (三个线加速度和三个角加速度 )。随后对该加速度计的静电悬浮支承系统进行了振动学分析 ,采用 1atm的空气阻尼 ,得出系统的阻尼振动频率为 0 .82 5 Hz,输出采样间隔为 4 s。本文的设计对研制高精度多轴加速度计具有重要参考价值。     

三轴高g加速度计的测试方法及实验研究

研究了高g加速度计的校准测试方法,并针对一种量程为105gn的三轴高g加速度计,测试标定了其主要性能参数。分别利用自由落杆绝对法和比较法测试了三轴高g加速度计的灵敏度;分析了影响交叉轴灵敏度测试的两种影响因素,进而分别指出了解决方法,并测试了其交叉轴灵敏度;通过提取叠加在主波上的锯齿波波形,测试出其谐振频率;最后利用东菱冲击机标定了三轴高g加速度计的非线性度。     

Self-balanced navigation-grade capacitive microaccelerometers using branched finger electrodes and their performance for varying sense voltage and pressure

Presents a navigation-grade capacitive microaccelerometer, whose low-noise high-resolution detection capability is achieved by a new electrode design based on a high-amplitude anti-phase sense voltage. We reduce the mechanical noise of the microaccelerometer to the level of 5.5 /spl mu/g//spl radic/Hz by increasing the proof-mass based on deep RIE process of an SOI wafer. We reduce the electrical noise as low as 0.6 /spl mu/g//spl radic/Hz by using an anti-phase high-amplitude square-wave sense voltage of 19 V. The nonlinearity problem caused by the high-amplitude sense voltage is solved by a new electrode design of branched finger type. Combined use of the branched finger electrode and high-amplitude sense voltage generates self force-balancing effects, resulting in an 140% increase of the bandwidth from 726Hz to 1734 Hz. For a fixed sense voltage of 10 V, the total noise is measured as 2.6 /spl mu/g//spl radic/Hz at the air pressure of 3.9torr, which is the 51% of the total noise of 5.1 /spl mu/g//spl radic/Hz at the atmospheric pressure.     

谐振式微加速度传感器的有限元分析

有限元分析用来评估一种新颖的谐振微加速度传感器,仔细分析新结构的几个主要振动模态,优化结构参数,证实这种硅基谐振式微加速度传感器的灵敏度高于1 000 Hz/gn.而且在有限元分析的基础上对实际制造的非完全匹配的双端固定音叉的特点和对于测量的不良影响进行分析.     

基于霍金斯指标的传感器故障重构研究

在基于主元分析的传感器故障检测方法中,Hawk insT2H指标对部分传感器故障的检测优于常用的SPE指标。但目前对T2H指标的研究并不充分,尚需要对T2H指标进行故障重构能力的分析。利用几何投影的概念,研究了T2H指标的传感器故障重构问题,并得出了该指标的故障可重构条件。应用数据仿真实验验证了T2H指标的传感器故障重构计算方法的有效性。     

An all-silicon single-wafer micro-g accelerometer with a combinedsurface and bulk micromachining process

This paper reports an all-silicon fully symmetrical z-axis micro-g accelerometer that is fabricated on a single-silicon wafer using a combined surface and bulk fabrication process. The microaccelerometer has high device sensitivity, low noise, and low/controllable damping that are the key factors for attaining μg and sub-μg resolution in capacitive accelerometers. The microfabrication process produces a large proof mass by using the whole wafer thickness and a large sense capacitance by utilizing a thin sacrificial layer. The sense/feedback electrodes are formed by a deposited 2-3 μm polysilicon film with embedded 25-35 μm-thick vertical stiffeners. These electrodes, while thin, are made very stiff by the thick embedded stiffeners so that force rebalancing of the proof mass becomes possible. The polysilicon electrodes are patterned to create damping holes. The microaccelerometers are batch-fabricated, packaged, and tested successfully. A device with a 2-mm×1-mm proof mass and a full bridge support has a measured sensitivity of 2 pF/g. The measured sensitivity of a 1-mm×1-mm accelerometer with a cantilever support is 19.4 pF/g. The calculated noise floor of these devices at atmosphere are 0.23 μg/√Hz and 0.16 μg/√Hz, respectively     

具有自检自标定功能的高负载电容式金属微加速度计的研究

提出一种由圆形板和大量扇形梁构成活动部件的新型高负载电容式微加速度计。通过将固定电极分为检测电极与驱动电极,可实现自检自标定功能。该微加速度计以金属为核心部件材料,并采用UV-LIGA微工艺进行加工。虽然活动部件因全柔性而具有复杂变形、器件内存在复杂机电耦合,但该传感器所建立的计算模型具有精确、快速的特点。采用AD77...     

An in-plane high-sensitivity, low-noise micro-g silicon accelerometer with CMOS readout circuitry

A high-sensitivity, low-noise in-plane (lateral) capacitive silicon microaccelerometer utilizing a combined surface and bulk micromachining technology is reported. The accelerometer utilizes a 0.5-mm-thick, 2.4/spl times/1.0 mm/sup 2/ proof-mass and high aspect-ratio vertical polysilicon sensing electrodes fabricated using a trench refill process. The electrodes are separated from the proof-mass by a 1.1-/spl mu/m sensing gap formed using a sacrificial oxide layer. The measured device sensitivity is 5.6 pF/g. A CMOS readout circuit utilizing a switched-capacitor front-end /spl Sigma/-/spl Delta/ modulator operating at 1 MHz with chopper stabilization and correlated double sampling technique, can resolve a capacitance of 10 aF over a dynamic range of 120 dB in a 1 Hz BW. The measured input referred noise floor of the accelerometer-CMOS interface circuit is 1.6/spl mu/g//spl radic/Hz in atmosphere.     

变截面舵面结构全场瞬态变形测量及振动特性分析

搭建了一套全场非接触应变测量系统,对变截面舵面结构受随机载荷激励作用下的变形及振动特性进行实验研究。实验以2A12铝合金材料制成的变截面舵面结构为试验对象,采用高分辨率的相机记录舵面结构全场清晰的散斑图像,然后利用三维数字图像相关方法对其结构表面的连续变形进行直接测量,同时利用傅里叶变换对采集到的散斑图像进行振动特性分析,获得变截面舵面结构的模态频率和模态振型。为验证非接触测量得到的振动特性结果的准确性,用小质量加速度传感器得到的振动响应信号进行对比。试验结果表明,在0~500Hz的测试频段内,三维数字图像相关方法辨识变截面舵面结构前三阶模态参数与加速度传感器测量结果非常吻合,前三阶固有频率误差在2%以内,阻尼比误差在6%以内,前二阶模态振型均为弯曲模式,第三阶模态振型为弯曲扭转耦合模式,验证了三维数字图像相关的全场振动测量技术的有效性,为高温环境及非线性变截面舵面结构非接触振动测试提供依据。     

基于CPLD与DSP的高精度自适应频率测量方法的研究与实现

对等精度频率测量的基本方法进行了两方面的改进;一方面在不提高系统工作频率和延长测量门限时间的前提下.通过对基准时钟信号计数值的修正,进一步提高了测量精度;另一方面利用对被测信号的自适应分频,消除了预置门限时间带来的不足,简化了同步逻辑电路,提高了系统可靠性,实现了测量门限时间的自动寻优;在基于可编程逻辑器件CPLD以及DSP芯片的硬件系统中,实现了范围为1Hz～2MHz、相对误差不大于10^-4的频率测量,进行了相关实验验证并给出了实验结果。     

基于模态应力恢复的轿车发动机舱盖焊点疲劳寿命分析

建立汽车发动机舱盖焊点有限元模型,并将分析结果与试验模态对比,验证该有限元模型的准确性.分别采用准静态法和模态应力恢复法得到焊点的应力-时间历程;基于Palmgren-Miner线性损伤累积准则和S-N曲线对比评估焊点疲劳寿命,并在模态应力恢复方法中考虑截止频率和结构阻尼对焊点疲劳寿命的影响.与虚拟台架试验的对比结果表明：准静态预测的焊点寿命大于试验寿命,截止频率为200 Hz且结构阻尼为0.06的模态应力恢复结果与试验结果较吻合.基于模态应力恢复法优化设计的发动机舱盖通过耐久路试.