硅微谐振式加速度计结构设计与分析

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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。
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