硅微谐振加速度计的研究现状及发展趋势

硅微谐振加速度计具有体积小、 功耗低、 准数字量输出和精度提升大的优点,是一种具有良好应用前景的高精度MEMS惯性仪表.总结分析了近些年国内外在硅微谐振加速度计方面的研究现状,主要在结构设计及工艺、 测控电路设计等方面阐述了各自特点.最后,结合近些年MEMS惯性仪表的发展趋势,对硅微谐振加速度计晶圆级真空封装、 测控电路数字化、仪表补偿智能化3个发展方向进行了展望.     

硅微谐振式加速度计结构设计与仿真优化

硅微谐振加速度计以高精度的频率信号输出成为硅微传感器的研制热点之 一。在分析硅微谐振式加速度计工作机理的基础上,采用一种新的基于双检测质量块和 谐振音叉低附加质量的硅微谐振式加速度计结构形式。运用ANSYS 对加速度计关键结 构尺寸进行仿真优化,明确了关键结构尺寸的变化对加速度计性能的影响规律。结果表 明：杠杆支撑梁长度、杠杆支撑梁宽度、杠杆支撑梁位置、音叉梁宽度、梳齿宽度和质 量块支撑梁宽度对整体结构性能影响最大。所设计的加速度计谐振基频约为21kHz,标 度因数为92Hz/g,在±30g 加速度输入下非线性达到0.322‰。     

微机械加速度计发展现状浅析

自微机电系统（MEMS）技术以IC工艺为基础发展以来,微机械加速度计便作为其中一个耀眼的应用实例大放异彩。在国外,上世纪九十年代就有低精度微加速度计产品,同时国内也开始了相关研究。时至今日,微加速度计已经按高精度、中精度、低精度三个精度等级分别发展。以麻省理工大学（MIT）Draper实验室为代表的一些国外机构已经研制出10-7g级别的高精度微加速度计样机并尝试在潜射导弹、洲际导弹再入等方面取得应用,乃至将来替代高精度摆式积分陀螺加速度计（PIGA）;以COLIBRYS、Honeywell等公司为代表的商业机构,依托自身科研能力,致力于将中精度微机械加速度计推出量产化的单表和组合成品并推向低端军用和高端民用市场;以AD、ST等公司为代表的跨国公司,依托自身工艺线,推出大量的微机械加速度计,占领了消费电子市场。国内的研制分工也越来越细化,技术路线、行业分工、研究内容、需求牵引都越来越明确,其中压阻式、热对流式微机械加速度计已经产业化,微机械加速度计已有小批量的产品,硅微谐振式加速度计也显示了很好的发展前景。本文试对发展现状进行了简单评析。     

基于结构参数的硅谐振式加速度计频率特性分析

硅谐振式加速度计精度高、稳定性好、数字输出,且体积小、成本低、易于集成,是惯性加速度计未来的发展方向之一.根据谐振式加速度计的原理对其关键结构参数对谐振频率及加速度计灵敏度的影响进行了理论分析,并结合硅谐振式加速度计的具体工作情况与谐振梁的实际结构合理设置仿真边界条件,分别对一种硅谐振式加速度计谐振器的谐振梁宽度、谐振梁厚度、谐振梁长度以及双谐振梁间距进行仿真分析,从理论与仿真两个方面得到了关键结构参数对谐振频率与加速度灵敏度的影响规律,验证了仿真结果与理论推导结果的一致性与差异点,为后续高机械灵敏度结构设计提供参考依据.     

硅谐振式加速度计(SOA)的技术及发展

硅谐振式加速度计（SOA）精度高,稳定性好,数字输出,且体积小,成本低,易于集成,是新一代的微小型加速度计,具有极佳的应用前景。介绍了SOA的结构原理和发展概况,从谐振器,微杠杆,加工工艺,改变刚度方式,激励和检测方式等几方面对SOA的关键技术进行了综述。分析了SOA的机械耦合,加工工艺误差,梁弯曲刚度非线性等三大技术难点,并提出解决方案。最后对SOA的发展趋势进行了展望。     

热激励谐振式硅微结构压力传感器温度场研究

针对一种以方形硅膜片为一次敏感元件、硅梁谐振子为二次敏感元件 ;采用电阻热激励、压敏电阻拾振的压力微传感器 ,分析了其工作机理 ;依幅值、相位条件讨论了该谐振式微传感器的闭环自激系统 ;建立了微传感器的温度场模型和热应力模型 ,并进行了仿真计算与分析     

用于硅微加速度计检测的差分频率电路设计

微机械加速度计以其具有体积小、成本低、易于集成和批量生产的特点越来越受到人们的关注。本文针对谐振式微加速度计微弱信号的检测问题,提出了一种新的微弱信号的检测方法,并且设计了相关的差分频率检测电路,该电路简单、精度高、易于集成、抗干扰性好,具有广阔的应用前景。     

MS8000硅微加速度计的测试与分析

硅微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度计无可比拟的优势。本文阐述了MS8000硅微加速度计结构和工作原理,并对其重要性能参数进行了测试和分析。     

导航控制系统用硅传感器的开发

当前，硅微机械器件引起导航与控制系统传感器开发者们越来越密切的关注，微硅加速度计和角速率传感器最根本的优势在于其体积小，功耗低，相对成本较低，而且与微电睡的组合成本低，可实现。本文介绍了ＲＤＣ在微硅加速度计和多用传感器研制方面的成果，介绍了硅平衡式加速度计和频率输出型开环加速度计的基本特性，同时，探讨了今后导航和控制系统中硅微机械应用的技术路线。     

浅谈三种电容式微加速度计的空气阻尼

为明确梳齿电容式与"三明治"电容式微加速度计的噪声极限与相关的三类结构形式对应的微机械加工工艺影响,着重分析了三种工艺实现下的典型参数微加速度计的大气环境下空气阻尼情况,并剖析了不同的结构形式与不同的加工工艺对结构型式的约束和对精度极限的限制.为说明由尺度效应带来的微加速度计受空气阻尼影响而产生的远大于传统加速度计的机...     

MEMS加速度计的封装建模与粘胶优化

随着MEMS加速度计应用领域的逐渐扩大，其工作环境的温度区间跨度也在不断增大，如何降低由封装过程引入的温度漂移量是MEMS加速度计设计的关键。对一种玻璃-硅-玻璃梳齿加速度计的完整封装结构进行了建模，并且对5种粘胶方式进行了热应力形变仿真，对仿真中温度性能最好的远三点粘胶和最差的全面粘胶这两种方式进行了装表与温度系数测试。实测结果表明，远三点粘胶的加速度计温度性能相比全面粘胶提升了2.5倍，与仿真结果相符。     

基于组件网络方法的微加速度计建模与仿真

 提出多端口组件网络方法对MEMS 进行建模与仿真, 建立了惯导MEMS 典型功能结构部件的参数化多端口组件模型, 联结组件模型形成网络构建了蟹腿式微加速度计的系统模型。用硬件描述语言作为编码工具, Saber 作为平台对该微加速度计模型进行了仿真分析。研究表明, 采用多端口组件网络可以实现M EMS 整体行为的快速仿真, 并能分析局部尺寸参数对系统性能的影响。与有限元分析相比较, 微加速度计系统模型仿真得到的检测方向的固有频率误差小于1.0%; 仿真结果表明梁的宽度变化对系统灵敏度有较大影响, 故需要尽量减小梁宽的加工误差。借助该模型还研究了系统对正弦及脉冲输入信号的响应特性。     

三维随机振动环境下MEMS加速度计输出特性分析

对MEMS惯性测量单元进行了三维随机振动试验,初步探讨了MEMS惯性测量单元在三维振动试验条件下的故障模式:3个轴的MEMS加速度计均出现了零位偏移,该现象在单轴振动试验环境中并没有出现.从理论和仿真分析了该现象产生的机理,提出了解决办法并通过了试验验证.结果表明:三维振动比单轴的振动更能接近真实的振动环境,结构被激发的模态更丰富.通过采取措施,减小了加速度计的零偏值,从9.4m/s2降至1.97m/s2.     

行人导航系统中的MEMS误差在线修正技术

在基于微惯性器件的行人导航系统中,陀螺仪和加速度计的偏移是降低系统定位精度的重要因素。传统的标定方法大多在实验室中进行,后续导航解算都是基于标定后的固定模型,然而MEMS器件长时间工作后,标定模型参数发生变化会导致系统导航性能下降。通过分析行人导航系统及MEMS器件的特点,提出了一种基于误差模型的MEMS器件参数在线修正方法。根据行人行走的特点,检测并区分行走过程中的可修正区间与不修正区间。在可修正区间基于逆向解算算法实现了对陀螺仪和加速度计零偏的在线修正,并提出了主航向反馈修正算法,提高了行人导航系统长时间导航性能。实验结果表明,40m行走实验中,系统定位精度提升了9.07%;300m行走实验中,系统定位精度提升了13.14%。     

无人地效飞行器控制系统研究

针对无人地效飞行器的特点,基于MEMS陀螺、加速度计和电子罗盘等传感器设计了飞行控制系统.详细介绍飞行器数学建模、数据融合算法以及飞行控制系统软件设计.仿真结果和实物飞行表明;该系统稳定性好、精度高,能够满足实时控制的要求.     

基于MEMS陀螺和加计的微惯性测量单元研制

微惯性测量单元具有成本低、体积小、功耗低和抗冲击等优点,可以应用在车辆稳定控制、平台稳定及导航控制系统中,具有广阔的市场应用前景.详细介绍了采用三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计研制的微惯性测量单元硬件设计,对信号进行预处理、陀螺漂移补偿、降噪等处理.所研制的低成本MIMU经过补偿后零位漂移保持在:X轴、Y轴、Z轴,可以应用到普通导航领域.     

模型直升机自主返回系统的设计与实现

设计了一架具有自主返回模块和增稳模块的模型直升机。该直升机硬件电路以C8051F020单片机作为机载部分控制器,使用MEMS陀螺仪和MEMS~JI速度计测量姿态信息,运用无线收发模块实现和地面站的通信。文章介绍了模型直升机系统的软件流程和实现,用系统辨识法分通道建立了直升机模型,设计了直升机的增稳控制模块。设计的模型直升机可完成悬停、返回、着陆等简单的自主飞行任务,为后续舰载小型模型直升机自主起降开发与验证平台的研制奠定了基础。