谐振式微加速度计驱动和检测结构设计及制作

基于谐振式加速度计的工作原理和结构特点,设计了一种新型微加速度计谐振器,用解析法和有限元法计算了谐振器的横向驱动力以及其处于谐振状态时的检测电容值。综合粘性阻尼、运动阻尼和气膜阻尼,分析了谐振器在大气环境下的阻尼和品质因子。应用MEMS(microelectromechanical system)工艺,完成了微加速度计谐振器的制作。测试结果表明:谐振器性能良好,谐振频率为54523.5 Hz,与设计的理论值误差约为13.6%。     

非线性振动条件下估算谐振梁品质因数

硅微谐振式加速度计在真空封装后出现非线性振动,导致测量品质因数的常规方法失效。为了能对真空封装的加速计进行精确监测,提出了一种品质因数测量方法。该方法基于谐振梁的非线性振动模型,通过将扫频数据按照模型公式拟合得到品质因数,适用于非线性振动时的情况。利用谐振式加速度计进行实验,验证了该方法的一致性和准确性,测得加速度计品质因数均在2×105以上。使用该方法对真空封装的气压与品质因数的关系进行了研究,表明真空封装的气压保持在0.1Pa左右;并对真空封装进行了温度实验和长期跟踪,证明了真空封装的可靠性。     

基于改进六位置法的一种 MEMS 加速度计标定补偿方案

微机电系统(micro electronic mechanical system,MEMS)加速度计在测量过程中受安装误差、刻度因子及零偏影响,为提高MEMS加速度计的测量精度,在六位置法标定的基础上,提出一种改进的MEMS加速度计标定补偿方案.利用小波滤波对MEMS加速度计的原始测量值进行滤波,运用六位置法对6个位置的原始数据进行标定得到补偿模型.通过实验验证,MEMS加速度计测量精度由标定前的1.2 m/s2提高到0.01 m/s2,由MEMS加速度计解算的横滚角和俯仰角精度由标定前的1°提高到0.166 4°.     

两项“863”计划自动化领域MEMS专项课题通过验收

9月24日，光电国家实验室MEMS研究部两项“863”计划自动化领域MEMS专项课题——“低成本、高性能真空熔焊封装关键技术与装备的研究”和“基于MEMS技术的胰岛素泵的研究”验收会在我校举行．     

面向输出性能的微加速度计建模与拓扑优化

以MEMS(micro-electro-mechanical systems)技术制备的电容式微加速度计为研究对象,建立了其最终输出性能——检测电容的检测特性与其微结构之间的动力学模型,提出了微加速度计最终输出性能的计算方法,实现了面向微加速度计最终输出性能的动力学特性与检测特性分析.为提高微加速度计的输出性能,进行了微加速度计的结构拓扑优化.在考虑提高电容输出性能和模态约束的条件下,建立了微加速度计结构的拓扑优化流程与数学模型,并以优化算例说明方法的有效性.拓扑优化结果表明,优化后微加速度计的输出性能和灵敏度提高了4.92%,同时抑制了振动模态耦合,保持品质因子不变.     

融合MT2503与MEMS传感器的惯性导航定位算法

为提高惯性导航室内定位算法的精度与连续性,提出一种融合MT2503与MEMS传感器的惯性导航定位算法,算法以MT2503芯片作为定位终端,并将加速度计传感器、陀螺仪,磁力计等传感器与其进行融合,通过加速度计传感器解算步长、步幅、步频,通过陀螺仪与磁力计来识别定位终端微动偏移量,最后在初始位置上累加定位终端位移得出定位终端实时位置。实验证实通过零速修正和卡尔曼滤波对误差进行校正,有效的解决了MEMS(micro-electro mechanical system)定位算法中存在的导航解算误差累积问题,提升了MEMS惯性导航室内定位算法的精度。     

有限元法在谐振式硅微机械加速度计设计中的应用

谐振式硅微机械加速度计是新型高精度的微机电系统传感器，作者选用双端固定音叉作为谐振器，设计了一种硅微谐振式加速度计，设计中，使用了有限元分析软件进行了大量辅助分析，对传感器的工作情况进行了仿真。通过模拟和计算，预先估算出谐振器固有频率、应力分布情况以及传感器基本性能参数，这对传感器工艺流程设计及结构改进具有重要意义，有限元分析结果显示，传感器的灵敏度大约为2Hz/g。     

旋转MEMS加速度计航空重力梯度仪多物理场作用误差分析

在自研高精度MEMS加速度计基础上,成功研制了旋转加速度计式重力梯度仪样机,其中MEMS加速度计的自噪声为0.7×10^-9g Hz^-1/2,重力梯度仪的自噪声达到40 E·Hz^1/2,实验室静基座测量的分辨率达到10 E,在静态环境下满足了重力梯度测量的需求．为了实现航空环境下的重力梯度测量,结合高精度加速度计输出模型及重力梯度仪安装误差模型,通过精确测量模型中的各项系数,建立了重力梯度仪在载体运动、磁场及温度等航空环境多物理场作用下的测量误差模型,推动移动平台重力梯度测量实用化．     

基于谐振频率的微机械加速度计温度补偿方法

针对硅基微机械加速度计零偏往往随温度改变而漂移的问题,设计了一种新型的温度补偿电路.通过理论研究和实验测试,发现微机械加速度计谐振频率与温度呈现非常好的线性关系.谐振频率与表头弹性梁的弹性系数的二次方根呈正比关系,而温度对于弹性系数的影响主要有3方面:弹性模量随温度的改变、机械热膨胀和热应力.通过Matlab数值仿真的方法,仿真和模拟了加速度计表头固有谐振频率与温度的关系,该仿真结果与实验测试结果符合得很好.基于以上分析,提出了一种新型温度补偿电路,通过在FPGA中设计数字锁相环模块实时检测和跟踪加速度计当前温度下的谐振频率值作为温度信号,进而补偿系统零偏输出.结果表明:在-30~60,℃全温度范围内,补偿后系统温漂峰峰值由初始的541.8,mg降低到46.0,mg,满足了工程应用需求.     

静电刚度式谐振微加速度计的结构设计和制造

基于静电刚度的谐振式微加速度计能通过加载电压来调节灵敏度,减少了灵敏度对结构工艺误差的依赖性。根据单梁谐振加速度计的动力学原理,确定了输出频率与各活动结构位移的非线性关系。对于输出频率与加速度的复杂非线性求解问题,提出在谐振梁刚度远大于折叠梁刚度条件下,可以有效的得到二者的解析关系式,为结构设计提供了约束条件。对于差分结构,推导了面内低阶模态方程,提出应减少音叉梁连接端的刚度系数来减少工艺误差造成的模态扰动误差。采用ICP干法体硅工艺,在很少的工艺步骤下能实现高深宽比结构的流片。实验测试发现结构完整可动,但存在同频干扰问题,提出了高频调制开关解调的信号处理办法。理论分析和实验测试为设计新型谐振式微加速度计提供了依据。     

基于MEMS的智能集成汽车传感器的研究

随着汽车传感器的迅速发展和MEMS技术的深入研究,基于MEMS技术的汽车传感器具有广阔的应用前景.本文从传感器原理、MEMS技术理论与制造工艺、智能传感器理论与控制算法、软件与硬件实现、以及集成原理与工艺等几个方面,综合运用MEMS技术、人工智能、信息融合、半导体加工等先进技术,研究基于MEMS技术的智能集成汽车传感器问题.最后对MEMS汽车传感器今后的发展研究进行了探讨.     

双轴集成加速度计结构设计

该文基于一种集成CMOS MEMS加工方式上,设计了一个双轴平面内加速度计。加速度计结构呈对称结构,有一个主体质量块、四个小质量块、8个弹簧和感应电极组成。理论上此加速度计可以提供X和Y方向相同的检测灵敏度。     

移动机器人的嵌入式控制系统

基于ARM处理器和MEMS器件设计了移动焊接机器人控制和导航定位系统,给出了陀螺仪、加速度计外围电路和相应AD采集模块设计方法,以及捷联式惯性导航系统位置和姿态解算方法.仿真实验结果表明,该导航定位系统能正确给出移动焊接机器人的位置、姿态信息.     

基于微机电系统洛伦兹平台角速度估计

针对洛伦兹惯性稳定平台对高带宽和高精度角速率需求,提出了基于微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)组合传感器的最优速度估计算法.MEMS组合传感器由陀螺仪和加速度计组成,MEMS陀螺仪由于自身特性在速度估计中提供低频速度信息,而加速度计则提供高频信息.最优估计器通过将低频信号与高频信息融合,采用最优控制与估计算法进行速度解算与估计.实验表明,频率在20 Hz内,运动角度在±60°内,MEMS组合传感器速度拟合周期不超过5％,稳定拟合误差不超过7.5％,可以满足平台稳定偏转控制需求.最优状态估计器能在时域与频域上提供无差、高性能的角速度信号.     

MEMS加速度计随机误差分析及建模方法研究

MEMS加速度计普遍存在信噪比低、精度低、稳定性差等缺点,主要原因是加速度计随机误差的影响,所以降低随机误差的影响成为了提高精度和稳定性的关键。采用Allan方差分析法对加速度计的实测数据进行随机误差分析,得到了影响加速度计性能的各项随机噪声系数。使用时间序列分析法对加速度计数据进行数学建模,以FPE准则确定使用的模型与阶次。实验结果表明,对加速度计数据进行建模方法科学有效,所得实验数据在精度和稳定性方面显著提高。     

H型梁谐振式MEMS压力传感器设计

谐振式微电子机械系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)压力传感器因其灵敏度高、体积小等特点近年来被广泛研究.根据谐振梁在不同压力作用下发生振动时,轴向应力的改变引起谐振梁等效刚度变化,从而进一步改变谐振梁谐振频率的原理,文章提出一种采用电磁激励/电磁拾振方式测量外界压力的谐振式压力传感器,并对传感器建立模型,利用ANSYS有限元仿真软件对传感器进行模拟分析与仿真验证.结果表明,量程为0～300 kPa、最大过载1.2倍满量程(full-scale,FS)时,初始频率为57.984 kHz,传感器灵敏度达66.98 Hz/kPa,非线性误差小于0.15％FS.     

微加速度计

本文论述了微机械系统(MEMS)的发展,介绍了电容式微加速度计和压阻式微加速度计的结构,分析了它们的工作原理,以及制作工艺.     

基于微机电系统CAD研究分析

微机电系统（MEMS）的计算机辅助设计（CAD）是MEMS实现商品化的重要基础,CAD技术在MEMS研究过程中具有非常重要的作用．本文概述了微机电系统CAD的研究进展,并介绍了国外在该领域的研究工作．重点研究了微机电系统中的耦合场分析和宏模型与系统级模拟等关键技术问题,针对其与传统机电系统的不同,总结了微机电系统CAD的特点,并据此提出了微机电系统的设计原则．以便能提高微型机电系统的设计质量,缩短研制周期,使之及早走向工业化．     

十字型微谐振梁多场耦合振动及信号分析

微机电系统（MEMS）又称微系统或微电子机械系统，是在微电子技术基础上发展起来的一种高科技微型器件或系统。MEMS集光刻、腐蚀、LIGA、硅和非硅表面微加工、精密机械加工等技术于一体，其尺寸在微米量级。利用微加工技术生产的微传感器以结构简单、灵敏度高和工作稳定等特点而广泛应用于工程实际中。微传感器通常采用静电激励与电容检测方法检测信号，即利用谐振梁振动时的位移变化导致电极之间的距离变化，从而使电极之间的电容值产生变化，检测到的电容变化频率即为谐振梁振动的频率。为解决微传感器电容检测信号微弱、检测精度较低的问题，提出了一种十字型微谐振梁。为研究微谐振梁的多场耦合效应，在考虑范德华力、电场力的情况下建立了谐振子的多场耦合非线性动力学方程。采用林滋泰德-庞加莱法求解获得其非线性振动的动态位移，分析了多物理场参数对于谐振子振动位移平均值以及电容变化量的影响规律。运用微纳加工手段制作出十字型微谐振梁，采用静电激励-电容检测方法进行了谐振频率和振动位移导致的电容变化量测试。结果表明：十字型谐振梁增大了极板面积，电容变化量增加，其信号强度更强。当面积增大75%时，电容变化量为原来的4.2倍，信号强度...     

基于闭环加速度检测系统的MEMS加速度传感器模型

本文针对体硅梳齿结构的电容式加速度传感器进行建模,考虑到了极板间静电力影响,对闭环反馈式加速度检测系统的设计及调节提供了可能及便利;基于VerilogA对该模型进行描述,使其能够和主流的IC电路设计工具进行兼容,对于系统功能搭建及性能的调节具有直接性,便利性。根据仿真结果表明,该模型如实反映了MEMS电容式加速度计的工作状态,尤其对闭环加速度计检测系统的设计提供有效的帮助。