Z轴完全差分电容式加速度传感器设计分析

设计了一种Z轴完全差分电容式加速度传感器,交错梳齿、两组对称可动梳齿通过挠性梁连接在固定衬底上,对称布局使结构稳定并解决了X和Y轴向对Z轴向加速度检测的耦合干扰。对传感器在敏感方向加速度作用下的偏转特性进行分析,给出了相关理论模型并对其求解。对传感器在非敏感方向加速度作用下的扭转变形进行分析,计算该扭转对Z轴检测产生的干扰与结构之间的关系。通过结构的优化设计,使传感器在设计的量程范围内达到最佳检测效果。利用ANSYS进行模拟分析,得到该传感器的灵敏度为0.31 fF/g,验证了本设计分析的合理性、可行性和精确性。     

减小交叉耦合的三维微加速度计的设计

介绍了一种减小交叉耦合的三维微加速度计的设计,该设计采用全差分电容式结构,X轴和Y轴采用梳齿电容式加速度计,Z轴采用扭摆电容式加速度计,三个轴向各自具有不同的敏感质量块,能够有效减小交叉耦合度。通过公式计算得到三个轴向的机械噪声,X轴为-60μg/Hz,Y轴为-66μg/Hz,Z轴为-53μg/Hz。从计算结果来看,三个维度的噪声系数较低,在电路噪声保证足够小的情况下,该三维微加速度计能够达到较高的精度。最后,采用COMSOL MULTIPHYSICS软件对该结构三个维度进行了模态仿真,仿真结果表明该设计能够有效减小三个维度的交叉耦合度。     

SOI压阻式面内加速度传感器的交叉灵敏度

设计了一种基于绝缘衬底上硅(SOI)片的面内振动压阻式加速度传感器,并针对其交叉灵敏度性能进行了研究,分析得出传感器的灵敏度与压阻微梁的轴向应力呈正比关系,并通过仿真说明该结构形式的加速度传感器具有非常低的交叉灵敏度,对检测方向的输出干扰非常小。进行了工艺加工和实验测试,实验结果表明,该面内振动的压阻式加速度传感器在20℃下,工作方向上的灵敏度为0.67 mV/g,而另外两个非工作方向(x轴和z轴)上的交叉灵敏度分别为7.3×10-4%和6.6×10-4%,对工作方向的加速度检测影响非常小,此结构的设计方法对于高性能的加速度传感器的研究具有重要的参考意义。     

微机械双轴电容式加速度传感器设计

设计一款机械噪声较小、灵敏度较高的双轴电容式加速度传感器,其具有4个水平检测单元,X、Y轴向的检测单元各有两组,且水平对称,有效地消除了轴间的交叉干扰;结构中的保护限位装置避免了结构因加速度值过大而断裂失效和结构测量的不准确。该加速度敏感质量块的大小为3 250 μm×3 250 μm×5 μm;栅型条的尺寸大小为1 575 μm×35 μm×5 μm;间距为35 μm,利用Ansys软件对加速度传感器进行性能仿真,得出加速度传感器X和Y轴向的静态灵敏度为0.253 μm/g;电容灵敏度为1.533 pF/g;X和Y轴向的谐振频率为949 Hz,阻尼比为0.83。     

电容式加速度传感器结构的计算机仿真

针对硅梁论述了微机械电容式加速度传感器的工作原理,应用有限元分析方法对三种不同的硅梁结构对加速度计进行结构建模,并模拟分析了三种不同的梁的加速度计结构的第一和第二模态,1g加速度下的挠度,以及存在预应力情况下结构的第一、第二模态响应频率,得到了最优的双梁结构,并在试验中得到验证,最终研制出了高水平的电容式加速度传感器。     

单芯片加速度计陀螺仪结构设计与分析

提出了一种单质量块单轴集成加速度计陀螺仪(AG)结构,并利用力学、电磁学等原理对该结构进行了结构的设计与分析;同时运用计算机辅助软件对其进行了建模和仿真;依据所提指标,确定了加速度计陀螺仪各项尺寸.借助原理和仿真分析可以知道,该加速度计陀螺仪(AG)单轴敏感同一方向线加速度和角速度,结构简单、合理,在现有加工水平下实现了可加工性;该结构驱动方向和线速度和角速度检测方向相互交叉耦小,同时简化了后续处理电路.研究结果为加速度计陀螺仪的进一步研究提供了依据.     

一种振动测量用电容式硅基MEMS加速度计

为了解决目前微电子机械系统(MEMS)加速度计在振动测量领域量程小和振动测量精度低等问题,基于绝缘体上硅(SOI)加工工艺,设计并制作了一款梳齿电容式MEMS加速度计。通过提高工作模态频率和干扰模态频差,提升了加速度计振动环境适应性;加速度计量程达到±50g,非线性度0.2%,横向灵敏度0.17%,分辨率优于0.5mg,体积9 mm×9 mm×2.7 mm,功率损耗30 mW。针对随机振动环境对加速度计的输出精度进行了实验验证,结果表明,MEMS加速度计与标准传感器的输出误差为2.69%,能够满足大部分工程应用需求。     

基于单质量块微纳光栅泰伯效应的双轴MOEMS加速度计

对一种基于单质量块微纳光栅泰伯效应双轴微光机电系统(MOEMS)加速度计进行了设计、加工与测试。利用有限元分析和时域有限差分法分别对双轴加速度计的敏感结构和光栅参数进行仿真优化。在保证加速度计高集成度的同时,为了实现双轴加速度的高精度测量,采用不同周期的两组光栅进行双轴加速度检测,通过磁控溅射工艺将两组光栅结构沉积在质量块的不同区域,最终通过阳极键合方式实现该双轴MOEMS加速度计的制备。实验结果表明,光栅泰伯效应双轴MOEMS加速度计x轴与y轴的灵敏度分别为3.36和3.54 V/g,零偏稳定性分别为25.53和20.91μg@1 s。该研究为实现高精度多轴加速度计提供了一种新的方法。     

耐高冲击过载电容式微加速度计设计

针对近年来常规弹药制导化改造对经历高动态环境的加速度传感器的迫切需求,该文设计了一种抗高过载、低量程的微机电系统(MEMS)电容式加速度传感器。该加速度传感器使用4组折叠梁组对可动结构进行支撑,并带动其在敏感方向移动,同时敏感结构采用差分式电容检测结构和叉齿止档限位结构方案,降低了结构受冲击时的区域应力,提高了输出信号增益及传感器灵敏度。理论计算和有限元分析结果表明,传感器轴向灵敏度为0.22 pF/g(g=9.8 m/s²),可承受轴向幅值为3×10⁴g、脉宽约8 ms的加速度冲击。     

电容式z轴微机械陀螺的噪声抑制

将z轴微机械陀螺两个模态的机械噪声效应等效为各自在单位噪声力作用下的振动,根据陀螺的工作原理得到两个噪声力作用下陀螺敏感模态的机械输出噪声。建立了包含运放和电路板非理想因素在内的接口电路的噪声模型。结合机械噪声模型和接口电路模型噪声,建立了包括结构参数和电路最小检测电容量在内的陀螺的噪声等效输入角速度模型,为陀螺的设计优化提供了参考。分析了结构参数对陀螺等效输入角速度噪声影响,并采用两个参数不同的电容式z轴微机械陀螺进行了实验。结果表明,通过结构参数的调整,将电容式z轴微机械陀螺的输出噪声从414μV/Hz降低至235μV/Hz。     

Non linear response and optimization of a new z-axis resonant micro-accelerometer

Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) accelerometers are micro-sized devices largely used for detecting accelerations in the consumer and automotive market. Both capacitive and resonant sensing have been successfully employed in these devices.In the present work, the focus is on a z-axis resonant accelerometer recently proposed in [1] and fabricated with the Thelma^© surface-micromachining technique developed by STMicroelectronics [2].After a full non-linear dynamic study, two possible optimized designs are studied through an optimization procedure. The goal of the work is to find a novel design for the z-axis resonant accelerometer which meets the linearity and the reliability requirements for MEMS accelerometers whitout losses in terms of sensitivity.     

一种对温度不敏感的光纤布拉格光栅加速度计

提出了一种新型的基于光纤布拉格光栅(FBG)反射带宽和反射光功率测量的加速度计,其是将单根FBG斜向粘贴在矩形简支梁侧面构成的,通过在简支梁中间粘贴重物感应竖直方向的加速度,通过梁的弯曲改变FBG反射带宽和反射光功率。实验结果表明:FBG的反射带宽具有很好的线性响应,其测量范围可达到8g,因带宽展宽造成FBG的反射率降低,因此反射光功率的线性响应范围只有4g;带宽和功率灵敏度分别为0.4nm/g和4.57μW/g;由于温度仅改变FBG的布拉格波长,而对其反射带宽和光功率几乎没有影响,所以加速度计对温度变化不敏感。     

加速度测量的力学解释

加速度计是靠感测因惯性力引起的相对位移来测量视加速度的，不能测量真实的重力加速度。通过力学基础的角度来解释加速度计，并通过试验的方法，验证了加速度计不能测量重力加速度这一结论的正确性。     

双悬梁光纤布拉格光栅低频加速度传感器

为了实现光纤布拉格光栅（FHG）加速度信号的准确测量,提出了一种新颖的双悬梁FBG加速度传感器。设计了传感器的结构及封装方法,理论分析了传感器的工作原理。实验研究了传感器的线性响应、温度响应、共振频率和方向抗干扰特性,结果表明,传感器的加速度响应灵敏度为7．81pm／m／s2,相对误差为2．62％,加速度与波长具有较好...     

三分量全保偏光纤加速度传感器的研究

报道了三分量全保偏光纤加速度传感器的实验研究结果。传感器由6个弹性柱体共同支撑1个质量块构成三分量结构,由3个迈克尔逊全保偏光纤干涉仪共用一个光源组成。光学部分采用全保偏光纤干涉仪结构,消除了干涉光束偏振态随机变化引起的信号衰落,采用光频调制相位载波解调信号处理技术,消除了相位随机漂移引起的信号衰落,从而实现了对加速度信号的稳定检测。传感器的工作频带为5~500 Hz,加速度灵敏度达到660 rad/g,系统最小可测相位差为10-5rad,最小可测加速度达1.5×10-7m/s2,工作频带内加速度灵敏度变化小于2 dB。三轴加速度灵敏度和频率响应曲线与理论分析的结果基本一致。     

基于卡尔曼滤波的动态角度测量系统设计

数字倾角仪主要用于静态环境下的角度测量,但当被测物体在动态（非匀速直线运动）环境下,倾角仪内部加速度计会受到除重力加速度外的加速度影响而变得不准确,此时仅依靠加速度无法准确解算出被测物体真实角度。针对动态下的测量问题,设计一种低成本的动态角度测量系统,利用MPU9255传感器中集成的三轴加速度计和三轴陀螺仪,采用融合陀螺数据的卡尔曼滤波和系统误差补偿,解决加速度计在动态下无法准确测量角度的问题。经测试表明,所设计的测量系统能够满足动态下较高精度的角度测量。     

基于单膜片FBG的加速度传感器优化设计

提出了一种基于单膜片全粘封装的光纤布拉格光 栅(FBG)加速度传感模型。首先,理论分 析了其传感原理,并优化了最佳加速度灵敏度,深入分析和讨论了该模型的加速度灵敏度的 频率响应。然后,基于该模型设计了 FBG加速度传感器,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36.6pm/G,实验值与理论值得的 相对误差为3.68%;实验研究了传感器的横向抗干扰能力,交叉灵敏 度小于1.3%,表明基于该模型的FBG加速度传 感器具有较好的响应特性。     

A CMOS integrated three-axis accelerometer fabricated withcommercial submicrometer CMOS technology and bulk-micromachining

In this paper, a bulk-micromachined three-axis accelerometer fabricated with commercial submicrometer CMOS wafers has been developed for low-cost realization of smart accelerometers and improvement of device performance. The signal processing circuits for three-axis detection were formed using a commercial 0.8-μm CMOS technology. After that, micromachining processes were performed to the complete CMOS wafers to form accelerometer structures. The important technologies to separate micromachining processes from the CMOS process are wafer thickness control after CMOS fabrication and backside polishing with chemical spin etching. Accelerometers with 3×3 mm² and 6×6 mm² die size were fabricated with the developed fabrication technology. As a result of device evaluation, 2.0 mg_rms resolution of Z-axis acceleration, and 10.8 mg_rms resolution of X and Y-axis acceleration were obtained by the accelerometers with 6×6 mm² die size. Comparing for the same die area, the 6×6 mm² size accelerometer showed about 21.3 times higher resolution of Z-axis acceleration and 37.8 times higher resolution of X, Y-axis acceleration as compared to our previous three-axis accelerometer fabricated with 5.0-μm CMOS technology. Temperature dependence and reliability for repetitive vibration loads were also evaluated. Through these evaluations, basic performance of the CMOS integrated three-axis accelerometer has been confirmed     

MOS环振式数字加速度传感器

提出了一种新的环振式数字加速度传感器,它采用做在硅梁上的MOS环形振荡器作为敏感元件,两个反方向变化的环振输出信号通过集成在片内的混频器实现频率相减.该传感器具有准数字输出、灵敏度高、温度系数低以及制作工艺简单等特点.分析了环形振荡器的频率特性,以及环形振荡器的谐振频率和加速度的关系,分析并设计了加速度传感器的环形振荡器电路、混频器电路、物理结构以及制作工艺,并制作了样品,其灵敏度为6 .91k Hz/g.