基于两级应力隔离的MEMS加速度计封装设计

封装应力是影响MEMS加速度计性能尤其是温度特性的关键因素之一。为降低封装应力,提出了一种两级应力隔离的低应力封装设计,包含芯片级应力隔离和封装级应力缓冲。采用有限元仿真模拟了四种封装设计和四种粘片方式。仿真结果表明,芯片级应力隔离比封装级应力缓冲效果更好,采用两级应力隔离可以将敏感电容的温度特性改善8倍,且四点胶粘片的效果最优。进一步通过实验优化了四点胶粘片的工艺和参数。实验结果表明,采用低应力封装设计的95只加速度计零偏温度系数均值由1450×10^-6g/℃降低至243×10^-6g/℃,零偏稳定性和零偏重复性均值分别为92×10^-6g和45×10^-6g。     

梳状电容式微加速度计温度性能优化

零偏温度漂移是影响高精度MEMS加速度计整体性能的关键指标，敏感结构机械零位的温度漂移和电路零位(电容检测电路）的温度漂移是加速度计零偏温度漂移的直接原因。分析了影响加速度计零偏温度系数的3种主要影响因素，提出了某型加速度计伺服电路温度性能测试筛选方法，有效减小了电路零位的温度漂移。采用了全硅表头，同时对表头封装粘接方式进行优化，大幅减小了表头机械零位的温度漂移。经过这些优化措施后，加速度计的温度性能得到了明显改善，零偏温度系数由1.3mg/℃减小到0.5mg/℃，零偏的常温稳定性(1h）达到0.108mg，重复性(6次）达到0.141mg。     

MEMS惯性器件低应力封装过渡层研究

封装应力是影响MEMS惯性器件输出性能的主要因素之一，封装应力是由于封装过程中封装对象间材料热特性不匹配所引起的。封装应力除了受封装对象本身的材料性能影响外，还与芯片及基底间的过渡层形式有关。不同的过渡层形式不仅会影响封装应力的峰值，还会对应力的分布情况产生影响。为了研究不同形式的过渡层对三层结构MEMS惯性器件芯片封装应力的影响，首先利用COMSOL有限元仿真分析软件简要地分析了不同材料参数对封装应力的影响，并进一步研究了常见封装形式以及不同封装结构的应力分布规律。结果表明，不同的粘接材料、封装形式和封装结构都会引起封装应力的变化。     

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.     

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。     

石英挠性加速度计的热分析

为了掌握加速度计内部温度场规律,得到内部的实时温度,建立石英挠性加速度计的热仿真模型,进行热仿真分析.根据仿真模型设计温度试验,验证了模型的正确性.在加速度计稳定状态下,仿真温度值与试验值差0.2℃左右;根据试验结果对仿真结果进行修正,将修正后的仿真结果与试验结果进行比较,得到两者的差值为-0.011℃,有效地提高了仿真结果的准确性.因此,可以通过修正仿真结果得到加速度计内部的实时温度.     

多个MEMS惯性姿态模块同时标定方法研究

针对MEMS 惯性姿态模块的应用需求, 根据已有的MEMS 三轴加速度计和 三轴陀螺仪的零偏、标度因子和非正交等误差及其随温度的变化模型, 设计了多个 MEMS 惯性姿态模块误差同时标定的方法,该方法可实现多个模块传感器数据的同步采 集,在常温下可对多个MEMS 惯性姿态模块的非正交误差进行批量标定,在全温度范围 内同时标定多个模块的温度漂移误差。试验表明,该方法校正了MEMS 惯性传感器的非 正交误差和温度漂移误差,提高了MEMS 惯性传感器的精度,同时提高了标定的效率, 减少了标定成本,有利于工程实现。     

高精度石英挠性加速度计力矩器磁路仿真分析

针对石英挠性加速度计标度因数非线性误差主要来源于力矩器磁路性能非线性及不同温度下加速度计参数随力矩器中永磁体磁性能变化产生漂移的问题,建立了力矩器的1/4二维有限元分析模型,对使用新型永磁体加速度计力矩器磁路进行计算,得到了不同结构下工作气隙磁密分布规律及不同温度下工作气隙磁密的温度系数.依据仿真结果,优化设计后的气隙磁密线性长度增加了72％,实测数据证明该方案加速度计的二阶非线性误差优于5×10-6,同时该方法为仿真计算加速度计标度因数的温度系数提供了新思路.     

基于MEMS IMU的舵面运动测量仪

针对飞行器升降舵、副翼角运动的测试需求,提出了单轴捷联姿态系统的原理及算法,介绍了基于MEMS陀螺仪和加速度计的舵面运动测量仪的构成,并对测量仪的工作过程进行了仿真.仿真表明,测量仪的性能满足舵面运动测量的需要.     

石英挠性加速度计组件精密温控系统热分析

在捷联惯性导航系统中石英挠性加速度计是其核心器件,加速度计的温度 特性直接影响其测量精度。在高精度的惯性系统中,需要对加速度计组件进行精度优于 0.05℃的温度控制。为了研究加速度计组件精密温控系统,利用有限元分析软件ANSYS 建立石英挠性加速度计组件温控系统的有限元模型,仿真计算其有限元模型的温度场。 首先根据组件的结构特性建立了其有限元模型,介绍了热分析中求解条件的确定方法。 通过仿真得到温控系统的温度场模型,根据温度场模型计算温度梯度并且确定系统的测 温点、控制方式,最后利用加速度计输出数据验证分析结果的正确性。研究结果可以为 加速度计组件精密温度控制系统中的测温点选取、控制方式确定以及捷联惯导系统中温 度补偿、温度控制与热优化提供参考依据。     

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.     

压阻式加速度传感器封装应力隔离结构分析

测试特性的温度漂移是压阻式加速度传感器研发中的固有问题，与器件制造的多个环节相关，是多因素共同作用的结果。封装应力的隔离是消减传感器特性温度漂移的重要手段之一。为详细分析封装应力隔离结构的引入效果及其对传感器测试特性的影响，以传统双桥式敏感结构为基础，采用有限元方法分析了封装应力隔离结构对传感器附加干扰载荷抵抗力的提升作用，并分析了从其引入后对传感器敏感应力和结构固有频率的影响。分析结果表明，引入封装应力隔离结构可有效降低外部干扰应力对传感器敏感结构的影响，同时也会改变结构固有频率在内的传感器测试特性。因而，当封装应力隔离结构应用于高频型加速度传感器时，需通过优化结构质量分布、采用横向敏感结构等方法对提升结构自身固有频率及实现敏感方向与隔离变形方向解耦等问题进行进一步优化。     

基于MEMS传感器的四旋翼组合测姿研究

针对四旋翼无人机机体尺寸较小、带载荷能力有限的特点,设计基于低成本MEMS惯性器件的测姿系统,以满足四旋翼无人机在系统控制方面的需求。但是低成本的MEMS惯性器件具有精度低,随机漂移大,容易受到外界环境干扰等缺点。本文充分发挥四旋翼无人机搭载的MEMS惯性器件的功能,分别利用两种方法测量载体姿态,并通过卡尔曼滤波的方法实现这两种测姿方法的数据融合。经过仿真分析,融合后组合测姿系统的测姿精度得到提高。     

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.     

硅微谐振式加速度计技术现状及展望

硅微谐振式微加速度计是各种MEMS加速度计中被普遍看好并期待为将来的高精度微加速度计发展的一个重要方向,正在全世界范围内被广泛研究。本文对硅微谐振式微加速度计的发展现状进行了评述。根据国内外不同的技术实现,诸如工作原理、微加工工艺实现、应用范围等对其进行了分类阐述。最后,对硅微谐振式加速度计研究中一些关键技术进行了讨论,并提出了展望。     

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.