【摘 要】
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本文设计了一种质量块外置的MEMS（Micro-electricmechanical System）压电谐振式振动传感器,并对其结构进行优化,该传感器经仿真测试在20g的加速度冲击载荷下的最大应力满足要求,且在-20g～20g的加速度范围内具有良好的线性关系;同时对纵向干扰力和温度干扰进行仿真测试,其结果均满足要求。其主要的研究内容如下:1)首先对谐振梁所受轴向力时的振动情况进行理论分析,并对谐振
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本文设计了一种质量块外置的MEMS（Micro-electricmechanical System）压电谐振式振动传感器,并对其结构进行优化,该传感器经仿真测试在20g的加速度冲击载荷下的最大应力满足要求,且在-20g～20g的加速度范围内具有良好的线性关系;同时对纵向干扰力和温度干扰进行仿真测试,其结果均满足要求。其主要的研究内容如下:1)首先对谐振梁所受轴向力时的振动情况进行理论分析,并对谐振梁上的电极分布进行了研究,然后在此基础上对压电谐振式振动传感器的谐振器进行了设计,最后利用COMSOL对谐振器进行参数化建模,并分别依据灵敏度、信号强度以及品质因数对谐振器的参数进行了优化调整。2)在谐振器规格尺寸确定的基础上设计了一款质量块外置的压电谐振式振动传感器,其中包括质量块、一对解耦梁、单级微杠杆、一对谐振器以及锚点。之后以传感器的灵敏度和结构稳定性为目标,通过COMSOL对传感器的结构进行了设计以及优化,确保了该结构在工作范围内能正常工作。3)在该传感器初步设计完成的基础上,通过COMSOL对其在不同质量块规格下的灵敏度进行了仿真,结果为随着质量块的增大,传感器的灵敏度也随之增大,且具有良好的线性关系,因此该传感器具备了作为质量传感器的潜力;对传感器受纵向干扰力进行了仿真测试,结果显示在解耦梁的作用下,纵向力并不影响传感器的灵敏度（工作范围内）;对传感器受温度干扰进行了仿真测试,结果显示单个谐振器灵敏度随温度剧烈变化,且一定范围内成线性变化,其值为-602.5Hz/℃。经过两个谐振器差频处理后的灵敏度为0.47Hz/℃,相较于单个谐振器下降了约1300倍,由此可以看出经过差频处理后的灵敏度对温度并不敏感,传感器可在-50℃～100℃的温度范围内正常工作。4)本传感器独有的特点是质量块外置,这样设计的优点是可以根据实际需求选择合适的质量块规格,而传感器的内部结构则可以保持不变;单级微杠杆的设计简化了传感器的结构;解耦梁的应用大大减小了纵向干扰力的影响;通过设计锚点与质量块之间的间隙,可以为传感器进行过载保护。5)对传感器的加工工艺流程进行了设计,主要采用光刻、湿法刻蚀以及磁控溅射法对基底进行加工,并设计了每一步所对应的掩模板。
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