硅微谐振式加速度计结构设计与分析

摘要

硅微谐振式加速度计将被测加速度信号转换为谐振器频率的变化，直接输出数字信号，具有很高的灵敏度和分辨率，是一种具有潜在高精度特性的微型加速度计，在国民经济和国防军事等领域有着重要的使用价值和广阔的应用前景。论文围绕硅微谐振式加速度计的结构设计展开，从理论分析出发，借助ANSYS有限元分析软件，设计了一种不等基频硅微谐振式加速度计。
　　论文的研究工作主要包括以下内容:
　　(1)介绍硅微谐振式加速度计的工作原理，建立硅微谐振式加速度计的力学模型;详细推导并给出谐振梁的谐振频率和标度因数的计算公式;其次进行非线性分析，推导出标度因数非线性，并分析由谐振器的振幅和梳齿静电驱动力引起的硅微谐振式加速度计的非线性特性，给出振动幅度与谐振频率关系的表达式。
　　(2)完成硅微谐振式加速度计的结构设计。首先是设计谐振器结构，确定敏感元件的具体形式，谐振梁的具体尺寸，驱动方式与检测方式等;其次是设计杠杆结构，选取合适的杠杆结构形式，对放大倍数进行理论分析和仿真分析;在总体结构设计中提出一种不等基频硅微谐振式加速度计，可以在全量程范围内消除模态耦合的影响。
　　(3)利用ANSYS软件对硅微谐振式加速度计的应力场和谐响应特性进行相关仿真，包括重力作用下的应力、谐响应、冲击应力和热应力的仿真，以此验证结构设计的可行性。
　　(4)介绍DDSOG加工工艺，绘制结构加工的版图，并对硅微谐振式加速度计的表头进行测试工作。大气下开环测试结果表明，前一圆片表头的上谐振器的空载谐振频率为47kHz，下谐振器的空载谐振频率为48.5kHz，频差为1.5kHz，品质因数为60;后一圆片表头的上谐振器的空载谐振频率为33.4kHz，下谐振器的空载谐振频率为34.8kHz，频差为1.4kHz，品质因数为60。真空封装之后，测得后一圆片加速度计样品的标度因数为101.4Hz/g。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．1．1 硅微机械加速度计

1．1．2 硅微谐振式加速度计

1．2 国内外研究现状及发展动态分析

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 改变谐振频率的方式

1．3．1 改变谐振梁轴向应力

1．3．2 改变谐振器横截面积

1．3．3 改变静电刚度

1．4 本课题的研究内容

第二章 硅微谐振式加速度计的理论分析

2．1 工作原理

2．2 硅微谐振式加速度计的力学模型

2．3 谐振梁的理论分析

2．3．1 梁的横向弯曲振动

2．3．2 轴向力作用下的谐振频率计算

2．4 非线性分析

2．4．1 标度因数非线性

2．4．2 振幅引起的非线性

2．4．3 梳齿静电驱动力引起的非线性

2．5 本章小结

第三章 硅微谐振式加速度计结构设计

3．1 设计目标

3．2 谐振器结构设计

3．2．1 敏感元件结构形式

3．2．2 谐振梁的长宽

3．2．3 谐振梁间距

3．2．4 谐振器整体结构

3．2．5 驱动方式与检测方式

3．2．6 等效电学模型

3．3 杠杆结构设计

3．3．1 杠杆结构形式

3．3．2 杠杆结构理论分析

3．3．3 杠杆结构尺寸

3．3．4 杠杆与谐振器

3．4 支承梁结构

3．5 结构耦合分析

3．5．1 仿真验证

3．5．2 加速度计整体结构设计与仿真

3．6 参数计算

3．6．1 标度因数计算

3．6．2 非线性度

3．6．3 分辨率

3．7 本章小结

第四章 硅微谐振式加速度计的仿真分析

4．1 重力作用下的应力

4．2 谐响应分析

4．3 冲击应力

4．3．1 x轴方向冲击分析

4．3．2 y轴方向冲击分析

4．3．3 z轴方向冲击分析

4．4 热应力

4．4．1 理论分析

4．4．2 仿真分析

4．5 本章小结

第五章 硅微谐振式加速度计的加工与测试

5．1 硅微谐振式加速度计的加工

5．2 硅微谐振式加速度的测试

5．2．1 实验设备

5．2．2 开环测试

5．2．3 标度因数测试

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间已获科研成果

致谢