基于柔性微杠杆机构的谐振式微加速度计研究

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加速度计在国防和民用领域都有着广泛的应用。MEMS技术为加速度计在高精度、低成本和微型化等几个发展方向提供了基础。谐振式微加速度计是基于MEMS制作技术的、具有高精度、稳定性好和准数字的频率信号输出等优点的、且有较大发展前景的导航级新型加速度计。论文系统地研究了谐振式微加速度计设计、制作等相关理论和技术,并制作了样片。   论文的主要研究工作可概括如下:   综述了微加速度计技术的发展概况,总结对比了各种类型微加速度计的特点和发展,提出了研究新型谐振式微加速度计的研究思路、方法和研究内容。   针对谐振式加速度计的工作原理,讨论了梁的横向弯曲振动理论以及轴向力对弯曲振动的影响;研究了附有集中质量的双端固定梁固有频率对轴向力变化的解析关系;为设计加速度计的谐振元件提供了理论基础。   讨论了柔性机构的特点和类型;对基于柔性铰链的微杠杆机构进行了解析分析,研究了柔性铰链各参数对微杠杆传力系数的影响;分析讨论了两级微杠杆机构的类型,并从理论上研究了两级微杠杆的传力系数,研究了两级杠杆之间的耦合影响,提高了两级微杠杆传力系数的理论分析精度和准确性;优化了该两级杠杆的结构参数,使其对输入力的放大倍数达102;用有限元仿真方法对解析计算结果进行了验证;设计了基于该两级微杠杆机构的谐振式微加速度计结构。   在对谐振器的驱动检测原理和MEMS系统阻尼特性研究的基础上,设计了谐振器及其梳齿结构的几何参数,并进行了仿真分析;所设计的谐振元件的谐振频率对轴向力的灵敏度约为5.5Hz/μN,在10V驱动电压下检测电容值约为0.14pF;讨论了谐振器在大气环境下的阻尼机制,分析计算了其阻尼系数和品质因子,计算结果表明所设计谐振器的品质因子约为190。   研究了谐振式加速度计的驱动和检测电路原理,在此基础上完成闭环驱动和检测的加速度计接口电路设计;主要包括锁相环驱动电路、C/V转换及频率检测电路、自动增益控制电路、滤波及移相电路;并对设计电路进行了仿真和调试,结果表明该接口电路能满足谐振式加速度计的设计要求。   研究了微加工工艺技术,设计了加速度计的加工工艺流程和版图;完成了样片制作,并结合电路版对加速度计性能进行了初步测试,测试结果表明所设计的加速度计基本达到了设计要求,其灵敏度约为55Hz/g,分辨率约为182μg。   最后,总结了研究内容和得出的一些有益结论,提出了进一步研究的方向和设想。
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