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‰。     

双端固支石英振梁力频系数与热弹性品质因数分析

双端固支石英振梁作为微型谐振式石英传感器的核心敏感元件，其力频系数和品质因数对传感器的灵敏度和分辨率具有重要的影响。石英振梁的力频系数越高，同等条件下传感器的灵敏度也越高；振梁品质因数越高，传感器的分辨力亦越高。对于工作于一阶振动模态的石英振梁而言，力频系数与热弹性品质因数仅与其自身的结构尺寸参数有关。通过分析发现，石英振梁的力频系数与热弹性品质因数之间存在一定的矛盾。详细分析了石英振梁力频系数与热弹性品质因数的特点及两者之间的定量影响，给出了两者的理论模型与仿真方法，建立了力频系数-热弹性品质因数的目标优化函数。分析结果表明，在音叉尺寸范围内，目标优化函数值从0.064增加为0.64，且变化趋势与品质因数相类似。最后，分析了在设计用于微型谐振式石英传感器的双端固支石英振梁时该如何获得最佳的传感器性能。     

微型石英音叉谐振陀螺抗冲击的建模与仿真

随着微机电系统技术的飞速发展，微型石英音叉谐振陀螺在各个领域中的应用越来越广泛，工作环境也越来越复杂，有些工作环境非常恶劣，需要经受冲击环境的考验。针对微型石英音叉谐振陀螺结构中“V”字梁在抗冲击方面的设计问题，基于国家标准中的归一化冲击响应谱，利用有限元分析仿真软件COMSOL Multiphsics，分析了不同“V”字梁厚度参数在受到6个方向的1500g、2ms的半正弦冲击时产生的应力和形变。仿真结果表明，当“V”字梁厚度为100μm时，其受到Z+方向的冲击产生的应力为83.045MPa；当“V”字梁厚度为60μm时，其受到Z-方向的冲击产生的应力为149.032MPa；当“V”字梁厚度为80μm时，其受到Z-方向的冲击为94.721MPa。由于石英材料的断裂强度为95MPa，所以“V”字梁的厚度最小值约为80μm。     

硅谐振梁式压力微传感器边界结构参数优化

对一种硅谐振式压力微传感器敏感结构的边界结构参数进行了优化设计。所讨论的敏感结构以方形硅膜片作为一次敏感元件,直接感受被测压力。在膜片的上表面制作浅槽和硅梁,以硅梁作为二次敏感元件,间接感受被测压力。为减少敏感结构内外能量耦合,提高振子的Ｑ值,采用有限元仿真分析的方法,优化敏感边界结构参数。     

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。     

热激励谐振式硅微结构压力传感器

对一种以方形硅膜片作为一次敏感元件,硅梁作为二次敏感元件的热激励硅谐振式压力微传感器进行了较系统的研究 :建立了微传感器敏感结构的工程用数学模型;以所建立的模型实际设计了敏感结构参数 :方形膜边长 4 mm,膜厚 0.1 mm,梁谐振子长 1.3mm,宽 0.0 8mm,厚 0.0 0 7mm;采用微机械加工工艺加工出了原理样件;采用电热激励、压阻拾振方式对其进行了开环测试     

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.     

微谐振式压力传感器的差动输出设计与建模

提出一种应用于微谐振式压力传感器的敏感结构,其一次敏感元件为矩形硅膜片,膜片的上表面架设有三个两端固支的硅谐振梁,间接感受压力作用,根据膜片上不同位置设置的硅谐振梁的固有频率对于压力变化有不同的变化规律的特点,实现对被测压力的差动输出检测。针对这种结构,建立被测压力与谐振梁固有频率的数学模型。设计实际尺寸参数进行计算分析,得出谐振梁的分布位置和几何参数对其振动特性的影响规律,给出了由差动输出解算压力的公式,验证了所提出的结构的设计思想和优化参数的可行性。     

一种石英振梁加速度计驱动电路的仿真分析

双端固定石英音叉谐振梁是振梁加速度计中的重要力敏传感器,驱动电路与其相配合,实现谐振梁在谐振频率点处的信号输出,进而测量加速度变化.研究中根据谐振梁等效电阻较大的特点,驱动电路采用了能够提供更高增益的双门振荡器方案,并对电路中CMOS反相器用作模拟放大器的用法进行了仿真,同时也分析了电路的自激振荡过程,并指出合适的反馈...     

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     

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。     

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。     

石英挠性加速度计标度因数受气压影响分析

石英挠性加速度计是惯导产品的核心器件之一,主要敏感载体运动中的加速度,为系统提供位置信息.加速度计具有力学敏感特性,其测量精度易受环境因素变化的影响.针对加速度计在不同地域测试时标度因数发生较大变化的问题,分离了加速度计异地测试过程中的时漂、温变、形变等多个环境因子后,提出了造成加速度计异地标度因数改变的主要原因是环境气压发生了较大变化.根据石英挠性加速度计的基本原理,结合加速度计检测质量摆的具体受力情况,对气压变化造成加速度计标度因数改变的机理进行了详细分析,给出了标度因数随气压变化的相对变化理论计算公式,经过验证试验,实测情况与理论分析结果一致,可以为石英挠性加速度计的优化改进提供参考依据,具有一定的工程应用价值.     

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。     

一种弹性胶粘剂在石英加速度计中的应用

针对石英加速度计偏值问题,提出了摆片组粘接胶粘剂的选用原则,并应用有限元软件进行了仿真研究.分析结果表明,固化后弹性模量小的胶粘剂粘接面产生的应力较小,有利于提高石英加速度计偏值的稳定性.进一步对选用的弹性胶粘剂进行了强度检测,测试结果表明石英加速度计的偏值稳定性得到了明显改善.     

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。     

基于厚片光胶法的石英挠性加速度计摆片光学冷加工

本文介绍了一种基于厚片光胶的高精度石英挠性加速度计摆片光学冷加工制备方法。现有的主流加工方法一般采用厚度为1.1mm的薄片进行后续加工。在单面环抛机结合光胶工艺的加工方法中,这种厚度的原料片使得成品石英光片在最终下盘时的面型不够理想, 从而影响装配成表的精度。基于此,本文提出了厚片光胶法,运用片厚1.8mm的光片进行后续加工,并在加工过程中增加了一次释放应力加抛光片修饰面型的工序,较好地改善了成品光片的面型。改进工艺后制备所得的光片下盘后光圈数从改进工艺前的2~3个减少为小于1个。作为高精度石英加速度计的关键零部件,改善面型后的光片更好地满足了成表的精度要求。     

基于改进的卷积神经网络的步态识别

为了提高惯性传感器采集到的序列数据中步态识别的准确率,建立了一个激励层改进的卷积神经网络(CNN)模型。针对三轴加速度传感器对运动太过敏感导致步态周期划分不准确的问题,采用加速度传感器与弯曲度传感器组合获取人体运动信息。将CNN模型中激励层的线性整流函数(ReLU)改进为带泄露线性整流函数(Leaky ReLU),以解决遇到卷积输出数据小于0时神经元被抑制的问题,进而达到提高步态识别准确率的目的。实验结果表明激励层优化的CNN模型在行走、上下楼和上下坡五种步态模式下识别率达到了95.79%,与未采用弯曲度传感器的改进CNN模型和未进行激励层改进的CNN模型相比,步态识别率有所提高。