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。     

MEMS梳齿音叉陀螺温度漂移特性研究

由于MEMS音叉陀螺多用于车载及无人机导航等应用场合,而外界温度环境因素对其零偏性能有着很大的影响,因此其温度引起的零偏漂移的大小直接影响着最终导航的性能。研究了全温范围传感器漂移特性,旨在提升陀螺温度漂移特性。通过改进电路设计以及采用实时补偿算法对其全温范围温度引起的零偏漂移进行补偿,将零偏稳定性提升了一个数量级。     

湿热环境下复合材料层合板振动与声辐射特性分析

研究了湿热环境中正交各向异性复合材料层合板结构受简谐激励作用的振动和声辐射特性。考虑了湿热应力和质量效应,利用一阶剪切变形理论和模态叠加法推导出四边简支层合壁板的固有频率计算公式,并采用Rayleigh积分得到其在简谐激励下的声辐射特性公式。基于湿热膨胀的等效性获得不同湿热环境下复合材料层合板的等效热膨胀系数,并进行有限元数值模拟,对理论公式进行了验证。算例结果表明,湿热环境导致复合材料层合板产生湿热应力,使得固有频率减小;单层板的振动特性对湿度和温度的变化更敏感;随着湿度和温度的增加,简谐激励作用下的复合材料层合板的振动速度响应、辐射声压级(SPL)、辐射声功率和声辐射效率曲线的波峰逐渐向低频方向移动,同时声辐射效率随之降低;低阶固有频率受湿度和温度的影响更加明显,声辐射特性曲线中低阶模态的波峰移动更显著。     

抗高过载硅微杯型振动陀螺结构设计与仿真

微机械陀螺是现代制导武器的核心器件，但是制导武器的发射过程中伴随着巨大的加速度过载。针对微机械陀螺结构在大过载情况下活动质量块受过载影响大的问题，设计了一种抗高过载MEMS杯型振动式陀螺结构。结合四波腹运动原理，对杯型陀螺结构的工作原理、振动特性以及抗高过载特性进行了分析。在ANSYS有限元分析软件中建立了该硅微杯型陀螺结构的有限元模型，分别进行了模态分析、谐响应分析。仿真分析结果显示，该硅微杯型陀螺驱动模态与敏感模态固有频率的频差为0.8kHz，工作模态的频率匹配性较好。根据冲击动力学原理分析了此结构在半周期正弦加速度冲击载荷作用下的冲击响应，谐振结构在100000g的瞬态冲击作用下的最大应力为11.38MPa，最大位移为8.06nm，证明该结构具有优良的抗冲击特性。     

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。     

MEMS梳齿音叉陀螺零偏漂移特性研究

由于MEMS（微机电系统）音叉陀螺多用于车载及无人机导航等应用场合，而外界温度环境因素对其零偏性能有着很大的影响，因此其零偏漂移的大小直接影响着最终导航的性能。本文研究了全温范围传感器漂移特性，旨在提升陀螺零偏稳定性。通过改进电路设计以及采用实时补偿算法对其全温范围零偏漂移进行补偿，将零偏稳定性提升了一个数量级。     

印刷电路板振动模态的精确测试方法

印刷电路板的动力学特性直接影响机载电子设备在振动和冲击环境下的工作可靠性,有必要在设计阶段对其进行动力学分析.印刷电路板为薄壁结构,质量一般较小,在使用传统的加速度传感器测量时,传感器的附加质量会对模态测试结果造成影响.通过加速度传感器与激光测振仪测试数据的对比,分析了加速度传感器附加质量对模态测试结果的影响,验证了传感器附加质量消除方法的效果,结论认为传感器附加质量对印刷电路板模态测试的结果影响明显且这种影响不能被完全消除;使用扫描式激光测振仪可以得到精确详细的模态参数.     

电容式微机械陀螺温度特性研究及温度补偿

电容式MEMS角速率传感器零位的全温稳定性是其实用化的最重要的技术指标之一。分析了陀螺工作原理,从传感器敏感表头的空气阻尼、谐振频率等方面分析了机械结构的温度特性,得出了在全温区内驱动力与传感器零位输出的相关性。根据对陀螺表头和接口电路的温度特性分析,设计了恒定跨导高线性度的运算放大器,实现了全温低相位偏移、低幅值偏移的接口ASIC,并在高压N阱COMS工艺下流片。通过驱动力信号对零位进行温度补偿,包含了机械结构刚度和空气热阻尼等因素的影响,理论上比单独的谐振频率补偿更准确,而且驱动力信号可直接由接口电路给出,避免复杂的采样。在-40℃60℃的温度范围内进行零位温度循环测试,驱动力幅值对零位输出进行三阶拟合补偿,补偿后全温零位温度漂移小于26.7(°)/h(1σ)。     

石英振梁加速度计研究现状及发展趋势

石英振梁加速度计是一种基于振梁谐振和力频特性原理的新型全固态惯性传感器，具有高精度、大量程、低功耗、直接频率脉冲输出等突出特点，已被广泛应用于战术武器系统。简要介绍了石英振梁加速度计的工作原理、技术特点，梳理了分体式和一体式两种仪表结构的研究现状和关键技术。结合国外研究发展趋势，指出石英振梁加速度计将成为后续达到摆式积分陀螺加速度计精度和抗辐照指标、满足战略级需求最有可能的加速度计方案。     

石英谐振加速度传感器芯片设计与仿真

分体式石英谐振加速度传感器在性能提升上受到装配误差等因素的影响较大，故提出一种全石英谐振加速度计芯片结构，包括下层的硅结构和上层的石英结构。下层的硅基底仅作为支撑结构进行加工制作，敏感单元为全石英材料，硅结构与石英结构键合到一起，结构加工完成后去除硅材料，以释放石英敏感单元。整体结构为中心对称，包括质量块、音叉结构、微杠杆结构和应力分配梁，芯片通过微杠杆结构来增大传感器的灵敏度，并通过应力分配梁使石英音叉两根振梁上的内应力均匀一致。通过仿真验证了设计的有效性，仿真的差动灵敏度为35Hz/g。     

气浮支承式触针测量系统径向动态性能研究

触针表面形貌测量仪是生产科研中应用广泛的仪器,杠杆式触针由于其结构原因,在测量时会产生非线性误差,影响测量结果的精度。介绍了一种气浮触针式测量传感器,触针轴运动方向与位移测量方向一致,有效地避免了非线性误差;在研究中建立了气浮支承式触针测量系统的运动模型,分析了测量系统的动静态特性,研究了影响气浮支承径向动态性能的因素,进行了径向刚度和动态参数的理论仿真模拟,并通过动态特性试验测试和分析得到传感器最大扫描频率为125Hz;搭建了气浮触针式表面形貌测量系统并进行测量试验,得到传感器测量的相对误差为0.8%。     

箔式镱应力传感器的动态压阻特性研究

利用空气炮对研制的箔式镱应力传感器的动态压阻特性进行了校准,给出了传感器响应的校准拟合直线方程和线性误差,表明该传感器具有量程范围宽、频响高、线性度较高、温度系数小等特点,可广泛应用于强冲击荷载下混凝土或岩石等介质中的应力测试.     

梁-膜结构微压传感器研制

由四个弹性梁和一个刚性中心膜构成的梁-膜结构,具有平面应力集中效应,与一般的结构相比,这种膜片在受到微压时即产生较大的应力集中,使传感器在测量微压时有较高的灵敏度,它的特别的结构能解决一般结构膜片在很薄时由膜应力和弯曲应力产生的严重的非线性。介绍的这种双面腐蚀形成的梁-膜结构的硅压阻式微压传感器的设计就是采用这种应力集中原理,芯片结构的力学特性分析及样件测试结果表明,这种结构的微压传感器具有较高的灵敏度和较低的非线性,成功地实现了对微小压力的测量。利用有限元仿真计算对用于100Pa压力测量的梁-膜结构硅压力传感器的结构参数进行优化,并对芯片版图设计、制作工艺技术和传感器的特性等问题进行了讨论。     

航空矢量喷管测试平台用六分量盒式天平结构设计

为了满足航空发动机推力矢量高精度测量的需求,研制了一种结构紧凑的能够实现推力矢量彻底分解的六分量盒式天平.该天平关键结构包括:三维传感器、固定框和浮动框.其中三维传感器的弹性体采用串、并联组合的结构型式.基于有限元分析,对传感器弹性体的设计进行了模拟,结果显示传感器各测力元件对本分量载荷作用敏感程度均远高于其他分量,支撑元件也较好地阻隔了各测力元件之间的相互干扰,该结论也通过了传感器的校准验证.六分量盒式天平整体的刚度和模态分析结果:天平无需做弹性角修正;1阶固有频率为218.8Hz,高于设计指标180Hz.六分量盒式天平校准表明:天平各分量精确度优于3‰,准确度优于5‰.      

微传感器最新发展

近年来，微传感器受到国际传感技术界的广泛关注，本文介绍十多个微传感器，包括三轴加速度计，单，双轴加速度计片，表面微机械陀螺（角速度传感器），微惯性导航系统，微磁通门传感器，磁阻传感器，纳米皮拉尼压力传感器，微科氏质量流量计，毫米波图像传感器，GPS手表（1cm^3)，二氧化碳传感器和微/超微角位移传感器，文事简要介绍它们的基本结构。敏感机理，特点等，从中可以看出微传感器已成为传感技术中有重要应用前景的组成部分。     

一种谐振式传感器频率特性测试平台

谐振式传感器的谐振频率和Q值可以通过其频率特性计算得到,因此需要有一种通用的测试平台来测量各种不同谐振式传感器的频率特性.本文描述了一种谐振式传感器频率特性测试平台,并提出了一种采用间歇激励方法测试谐振式传感器谐振频率的新方法,采用线性调频信号激励谐振式传感器,传感器自由振动状态下的振动频率即是传感器的谐振频率;测得传感器自由振动状态下的振动频率,即可得到谐振式传感器的谐振频率.     

石英挠性加速度计参数长期重复性技术研究

石英挠性加速计作为敏感载体加速度的关键器件,其参数的长期重复性直接决定着惯导系统的精度和性能。为了清楚石英挠性加速度计长期重复性机理,从胶粘剂性能变化和焊接应力变化两个方面分析了石英挠性加速度计偏值长期重复性机理;从胶粘剂性能变化和永磁材料稳定性两个方面分析了石英挠性加速度计标度因数重复性机理。在此基础上,提出了从结构优化、新型材料研究、稳定化处理和加速试验四个方面提高石英挠性加速度计参数长期重复性的建议,为开展高精度石英挠性加速计的研制提供了支撑。