静电刚度式谐振微加速度计的温度效应研究

摘要

谐振微加速度计是一种利用微梁谐振频率来敏感外界加速度的机械传感器，具有体积小、重量轻、功耗低、测量精度高、稳定性好、易批量生产及准数字信号输出等优点，在军事、航空航天及汽车电子等领域具有广泛的应用前景。相比其他谐振类微加速度计而言，静电刚度式谐振加速度计可通过改变偏置电压来调节微梁的谐振频率，从而实现对加速度计标度因子与灵敏度等关键性能指标的调节，因而具有较强的设计灵活性与较高的工艺鲁棒性。然而，作为机械传感器，此类加速度计也存在热稳定性问题，即性能随温度变化而保持恒定的能力。本学位论文对静电刚度式谐振微加速度计热稳定性问题进行了研究，主要研究工作和取得的成果如下： （1）在分析了静电刚度式谐振微加速度计振动梁结构特点的基础上，结合欧拉-伯努利梁理论与哈密顿原理，建立了微梁振动的机-电-热多场控制方程。运用拉氏变换推导了微梁的振型函数，该振型函数与基于传统模型推导得到的振型函数相比，考虑了轴向力及集中质量的作用，COMSOL Multiphysics仿真表明本文推导的振型函数更准确。分别基于集总参数法和伽辽金法，建立了微梁的两种解析宏模型，即集总参数模型和伽辽金法宏模型。 （2）基于E.Suhir三层结构理论推导了残余热应力作用下微梁所受等效轴向力的解析式，结合微加速度计的工作原理得到了温度变化引起的微加速度计关键性能指标变化规律。研究结果表明：现有微加速度计在?20o C~125o C的温度范围内工作时，微梁的频率波动达到 14.09%，标度因子的波动达到 28.55%。通过分析温度与微加速度计标度因子的函数关系，提出了一种通过调节刚度比K来提高微加速度计标度因子热稳定性的新方法。相比于其他提高热稳定性的措施，该方法具有不需要额外增加温度调控设施与结构改进的优点。 （3）基于伽辽金法宏模型，分析了温度对梁主振型及更高振型振动特性的影响情况，数值仿真结果表明，温度对第一阶主振型响应幅值的影响最大，随着温度的升高，微梁的振幅增加。利用多尺度法得到微梁耦合系统的幅频响应函数，并分析了静电刚度非线性与机械刚度非线性的温度效应，数值仿真结果表明，温度越高，两种非线性越强，且温度变化主要是通过影响静电刚度来影响微梁振动的非线性特性。

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硕士_机械工程学院_2015200265_肖微波_20180511