具有自检功能的一体式石英振梁加速度计研究

摘要

石英振梁加速度计利用石英的压电效应来实现对振梁的激励，相比于硅振梁加速度计来说不需要额外的激励结构。利用谐振梁的力频效应，直接输出数字频率信号，便于传输与处理。石英振梁加速度计具有温度稳定性好，耐恶劣环境，长期可靠性高，高精度大量程等优点，特别适用于国家急需的战略级武器惯性导航、石油钻井、地震监测等高精度应用领域。自检测功能是微传感器一项重要的功能，在对安全要求严苛的许多应用领域中，在传感器运行前进行自检是非常有必要的。本文在实验室已有一体式石英振梁加速度计的基础上，结合现有加速度计的特点，利用静电激励的基本原理，提出了一种具有自检功能的一体式石英振梁加速度计的新结构，主要由质量-挠性结构、振梁、隔离框、安装框、静电极板组成。同时，针对现有加速度计的缺陷，对加速度计的关键尺寸进行了优化，优化后的加速度计标度因数保持不变，能够模拟出±1g加速度所带来的频率变化。 本文首先介绍了石英振梁加速度计的基本原理，并针对现有加速度计的缺陷，结合键合工艺进行结构优化，采用理论分析和ANSYS仿真对优化结构进行验证。其次，介绍了常见的实现自检的方式，对静电激励的基本原理进行了详细的解释，并通过理论分析和ANSYS仿真确定了静电极板的尺寸。随后针对新结构的特点设计了相应的加工工艺，设计了一种适合此结构的键合方式，并通过实验验证了该键合方式的键合强度。通过阻抗分析仪对敏感元件的谐振特性进行测试，谐振频率在56KHz左右，标度因数在50Hz/g左右，封装后的Q值达到8000以上。最后，配合合适的谐振电路组成了具有自检功能的一体式石英振梁加速度计系统。经测试，该系统的标度因数为50.5Hz/g，零偏稳定性为24.38μg。

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Abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 石英振梁加速度计国内外研究现状

1.2.1 石英振梁加速度计国外研究现状

1.2.2 石英振梁加速度计国内研究现状

1.3 加速度计实现自检功能的研究现状

1.3.1 加速度计实现自检功能的国外研究现状

1.3.2 加速度计实现自检功能的国内研究现状

1.4 论文研究内容

1.5 本章小结

第二章 石英振梁加速度计的设计

2.1 石英晶体的特性

2.1.1 石英晶体的各向异性

2.1.2 石英晶体的压电特性

2.1.3 石英晶体的切型选择

2.2 石英振梁加速度计的基本原理

2.2.1 石英振梁加速度计的理论分析

2.2.2 石英振梁加速度计的等效电路参数

2.3 石英振梁加速度计的设计

2.3.1 石英振梁加速度计结构优化理论分析

2.3.2 石英振梁加速度计结构优化仿真分析

2.4 石英谐振梁激励电极的设计

2.4.1 石英谐振梁的理论分析

2.4.2 石英谐振梁的ANSYS仿真

2.5 石英振梁加速度计的加工工艺

2.6 本章小结

第三章 自检模块的设计

3.1 自检功能的基本原理

3.1.1 静电驱动的基本原理

3.2 自检功能的实现

3.2.1 自检模块的理论分析

3.2.2 自检模块的ANSYS仿真

3.3 自检模块的制作与装配

3.3.1 静电极板的加工工艺

3.3.2 装配与封装

3.4 本章小结

第四章 敏感元件的性能测试和分析优化

4.1 键合工艺的验证

4.2 空气中敏感元件谐振特性测试

4.3 封装后敏感元件谐振特性测试

4.4 测试结果分析与讨论

4.5 本章小结

第五章 具有自检功能的石英振梁加速度计系统性能测试

5.1 传感模态系统性能测试

5.1.1 标度因数测试

5.1.2 偏值测量

5.2 自检模态说明

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

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