微机械加速度计系统分析与测试

微机械加速度计是近年来才发展起来的一类微机电系统（ＭＥＭＳ）。文中介绍了扭摆式硅微型加速度计的机械结构,工作原理。根据其信号特点,对其测试的关键部分进行了搪塞,并给出了测试结果。在此基础上,对整个加速度计系统的误差来源进行了研讨。     

扭摆式硅微加速度计的优化设计

文中介绍了扭摆式硅微加速度计的结构原理和对其进行最大灵敏度优化设计的方法,计算结果表明,对硅微速度计的结构参数进行优化,可以最大限度地提高传感器的性能。     

批量微加速度计翻滚实验平台设计

针对目前微加速度计重力场翻滚实验设备一次只能对一只加速度计进行测试,基于SolidWorks软件平台设计了一种可一次对多只微加速度计进行翻滚实验,并且微加速度计夹具能与翻滚驱动装置自动结合与分离的新型翻滚实验平台。通过对用该平台测试的加速度计参数和现有设备测试的加速度计参数的对比表明,该平台一次可准确的对4只加速度计进行测试。     

采用微机械加工技术的微光学加速度计

表面微机械加工技术是实现单片集成微光学系统的一种新方法。本文介绍一种新型的采用微机械加工技术的微型光学加速度计,包括设计、关键器件的加工和测试,它是基于光线和光闸相互作用引起通光量变化的工作原理。这一微光学加速度计包含一个2μm厚的多晶硅光闸,光闸采用微弹簧支撑在基片上,微弹簧是长度为200／μm的多品硅褶曲梁,硅基片和微结构之间所夹的牺牲层采用氢氟酸湿法刻蚀去除。光闸设计为一个质量弹簧系统,对加速度力产生响应。     

电容式高过载微机械加速度计的设计与实验

针对某些高过载应用场合对微机械加速度计抗冲击能力的要求,设计了一种三轴向抗冲击的梳齿电容式闭环微机械加速度计。通过分析带止档的闭环加速度计冲击响应过程,提出在敏感方向使用悬臂梳齿结构作为柔性缓冲止档可以缓冲冲击过程中微结构间的接触碰撞;在非敏感方向采用结构模态和阻尼分离的设计可减小冲击变形,耗散冲击能量。马歇特锤冲击实验表明,该加速度计能够分别承受3个轴向幅值为13 200g,脉宽约102μs的的加速度冲击,冲击前后偏置漂移在5mV以内。该闭环加速度计在±10g的非线性优于500×10-6,1.5h偏置稳定性为0.27mg。设计的样机基本满足高过载环境下惯性测量的要求。     

硅微谐振式加速度计的实现及性能测试

为了提高硅微谐振式加速度计性能,从一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,介绍了加速度计的结构、加工方法和接口电路。该谐振式加速度计结构包括敏感质量块、谐振器和微杠杆3部分,采用差动结构来减小共模误差的影响。接口电路中采用了自动增益控制电路来稳定谐振器的振幅,成功实现了谐振器的闭环自激振荡和频率检测。分析了谐振式加速度计频率输出与加速度输入的关系,测试了硅微谐振式加速度计样机性能,结果为量程±50g,标度因数143 Hz/g,零偏稳定性1.2 mg,零偏重复性0.88 mg,阈值170μg。文章最后提出,DDSOG工艺中采用的玻璃材料和硅材料温度系数不同,影响了加速度计的温度特性,因此需要进步一改进加工工艺。     

微机械电容式加速度计的结构及检测技术研究

三明治式电容微加速度计由于工艺等原因可能存在局部缺陷而影响其对称性,严重的将导致不能正常工作,通常的检测方法难以检测到该缺陷.设计了一种具有自检功能的微加速度计,能够方便的通过外部电路对自身结构进行对称性检测.采用MS3110芯片对设计加工的微加速度计进行测试,测试前使用单片机将程序写入该芯片,调节其内部参数,使之工作在良好的线性度及灵敏度状态.实验结果表明加工出的微加速度计具有较好的对称性.     

小型化硅微谐振式加速度计的实现与性能测试

设计了一款由微机电系统和专用集成电路构成的小型化硅微谐振式加速度计。该加速度计采用80μm厚SOI工艺加工微机电系统(MEMS)结构,采取真空封装技术降低结构噪声。首先,采用振荡信号作为自动增益控制电路中斩波器的控制信号,降低了闪变噪声且不会引入额外的功耗。其次,使用线性区工作的乘法器取代传统的吉尔伯特单元,通过大幅降低系统总体供电电压来降低功耗。最后,采用复位计数器进行频率数字转换,在所关心的带宽内抑制量化噪声。实验显示:该加速度计在达到±30 g线性量程的前提下,实现了2.5μg/√Hz的分辨率和1μg的零偏不稳定度。此外,为了减小电路自身发热引起的温度漂移,该样机的功耗被控制在3.5mW以内,系统集成后的尺寸约为45mm×30mm×20mm。基于所述技术,系统在体积、功耗和性能方面均有较大的提升。     

3140型压阻式微硅加速度计测试与分析

微型加速度计作为一种新型惯性传感器,它在体积、重量、成本、功耗、可靠性和寿命方面都具有传统加速计无可比拟的优势,３１４０型压阻式微硅加速度计是美国ＩＣＳｅｎｓｏｒｓ公司的产品。文中介绍了它的结构设计和工作原理,并对其重要性能参数进行了测试和分析。     

扭摆式硅微加速度计的研究

扭摆式硅微加速度计量种用于测量运动物体加速度的微型惯性器件,在许多领域都有极其广泛的应用,是当今微米／纳米技术发展的一个主要方向。本文论述了结构组成,分析工作机理,探讨了提高灵敏度的途径,最后给出了制造工艺和测试结果。     

复合量程微加速度计封装热应力的研究

贴片胶的选择和贴片工艺对MEMS封装器件的可靠性和有效性影响很大.针对贴片胶固化时热效应的影响,分析复合量程微加速度计封装热应力产生的机理.从贴片胶的材料特性出发,分析贴片胶的厚度、杨式模量及热膨胀系数对硅芯片所受到封装热应力的影响.并通过有限元仿真分析,确定了适合复合量程加速度计封装的贴片胶材料及使用厚度,并用拉曼光谱仪对封装后的应力进行了测试,结果显示应力较小,封装效果良好.     

硅三明治型微机械加速度计温度漂移与敏感结构热膨胀关系研究

针对硅基三明治型微加速度计的温度漂移现象,基于力学和热学原理,分析了微加速度计敏感部分关键结构弹性梁、敏感质量块在温度升高时的热膨胀与力学平衡关系变化。结合微加速度计的闭环反馈工作方式,导出了其输出改变,指出由于弹性梁、敏感质量块在温度升高时热膨胀引起的输出变化小于0.002gn/10℃,同时,实验表明微加速度计输出随温度的变化为(0.1~0.2)gn/10℃。两者对比的结果显示,由于温度变化而引起的敏感结构热膨胀导致的输出改变不是微加速度计产生温度漂移的主导原因,研究结果为三明治型微加速度计稳定性与漂移的进一步研究提供了参考。     

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。     

一种微机械谐振式加速度计的自激驱动控制

为了研制谐振微机械加速度计,文中介绍了静电刚度的谐振式微加速度计的工作原理,并根据闭环控制要求,建立了基于自激原理的系统分析方程,利用平均周期法分析了系统稳定性和振动幅度稳态平衡点。理论分析确定了系统起振条件和相位偏差对闭环振幅和频率的影响。对基于体硅溶片制造和真空封装的谐振微加速度计,自激闭环测试结果表明检测电压1 V时,灵敏度为18 Hz/g;检测电压5 V时,灵敏度为58 Hz/g,10 min内闭环谐振频率最大漂移0.2 Hz,可分辨加速度约3.5 mg.     

复合量程加速度计在高过载环境下封装失效的研究

在高过载环境下,封装直接影响到加速度计的可靠性.从理论上对封装引起的加速度计失效进行了分析.采用ANSYS软件,对复合量程加速度计的封装进行设计与仿真,对设计结果进行试验验证.试验证明,该设计能够在高过载环境下有效的保护复合量程加速度计正常工作.     

基于PSD的高精度激光位移传感器设计与分析

介绍了PSD器件的工作原理,对基于三角法测量原理的传感器主要结构参数进行了分析,给出了设计的传感器外形.并设计一种舍有多种放大倍数的PSD检测电路,可实现测量中对环境变化的自适应能力.最后分析了影响传感器测量精度的各种因素,并讨论了消除的方法.     

高灵敏度的CMOS霍尔磁场传感器芯片设计

以霍尔电压及失调电压的状态为出发点,提出了一种更简单的霍尔信号再生电路设计方案.即采用由传输门、保持电容和电压跟随器构成的采样保持电路实现对混叠信号(包括霍尔信号和失调电压)180°移相,再经相减电路去除失调电压.后仿真结果表明该芯片工作在2.5～3.3 V电压下,能对0.1 mV的霍尔信号进行1 500倍放大并输出CMOS数字信号,可允许的最大失调电压为4 mV.     

基于微加速度计的并联机构振动分析及测试实验

以6 - UPU并联机构为研究对象,建立了并联机构广义固有频率模型,对底位工况位置进行了固有频率数值求解;利用微加速度计测试出并联机构5个自由度的固有频率值;理论分析与实验测试结果较为接近,其误差度在10％的范围内,验证了振动模型的正确性.实验表明:该振动测试分析方法可用于并联机构固有频率分析,可为类似构型的并联机构结构设计与控制器设计提供理论依据.     

一种高灵敏度超导接收前端的结构设计与仿真

空间用超导接收前端必须经受热真空和振动、冲击等环境适应性测试的考验,需要可靠的集成设计来控制制冷机冷指的变形量,而可靠的结构设计是关键。文中介绍了一种空间用高灵敏度超导接收前端的小型化、低漏热和高可靠性的结构设计方案。该接收前端采用自制的分置式斯特林制冷机(2.8 W@77 K)。采用特殊结构设计的铝板底座有效地将制冷机产生的热量传送到安装平台,满足了热真空指标。采用冷焊制成的异种形状的柔性导热带大大减小了制冷机冷指受应力冲击所造成的变形。采用隔热支撑结构连接超导滤波器和低温放大器等器件,既满足了机械强度要求,又有效地减小了漏热。对关键部件进行了实物测试,并采用Pro/E和ANSYS对整机进行仿真,验证了这种结构设计的可行性。     

一种新型电容微加速度计的设计与仿真

提出一种带有杠杆机构的电容检测微型加速度计。通过外来加速度使质量块经杠杆将力放大施加到弹性梁上产生位移、改变检测电容间距得到与加速度成比例的电压信号,从而测出加速度大小。研究表明:这种加速度计的灵敏度可明显提高。同时采用有限元方法进行了仿真模拟,结果显示系统测量范围可达100 g、工作模态固有频率为209036 Hz。