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蝶翼式加速度传感器敏感结构设计、制造与封装关键技术研究

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蝶翼式加速度传感器敏感结构设计、制造与封装关键技术研究

作者：李凯国防科技大学

学位级别：硕士

故障诊断与安全监测对微加速度传感器提出了迫切需求,然而,目前在市面上主要以高精度、低量程产品为主,产品量程和部分性能不能有效满足故障诊断和安全工程领域的监测需求。本文在前期研究基础上提出一种高谐振频率、高量程、体积小、... 详细信息

故障诊断与安全监测对微加速度传感器提出了迫切需求,然而,目前在市面上主要以高精度、低量程产品为主,产品量程和部分性能不能有效满足故障诊断和安全工程领域的监测需求。本文在前期研究基础上提出一种高谐振频率、高量程、体积小、性能稳定的蝶翼式微加速度传感器。从敏感结构设计与优化、加工工艺、集成封装、主要性能测试等方面进行了系统研究,内容主要包括以下几个方面:1.敏感结构设计与优化。本文在保证主要性能指标的前提下进一步缩小了蝶翼式加速度计的敏感结构尺寸。采用内置锚点设计,结构更加紧凑;采用应力释放梁结构,有效降低结构应力对传感器性能的影响。论文对蝶翼式加速度传感器敏感结构的工作原理、主要性能指标进行了理论与仿真分析。2.加工工艺优化。针对优化后的蝶翼式微加速度传感器敏感结构,设计了基于SOI（Silicon-On-Insulator）圆片的加工工艺。论文介绍了蝶翼式加速度传感器敏感结构的加工工艺流程,并对高精度深硅刻蚀、低应力硅硅键合、玻璃浆料键合等关键加工工艺进行了详细阐述。3.蝶翼式加速度传感器集成封装。蝶翼式加速度传感器包括敏感结构、信号检测电路、温度检测单元、封装结构等。检测电路采用开关反相对称激励的调制解调方法,可以有效降低环境干扰,提高检测分辨率。最后将敏感结构与检测电路进行集成,并装入封装结构完成封装,从而增加传感器的可靠性,同时也便于后期的测试。4.蝶翼式加速度传感器样机的性能测试。对蝶翼式加速度传感器的主要性能指标进行了测试。测试结果表明,可以满足振动量程≥±100g、灵敏度误差≤5%、谐振频率＞15k Hz的应用要求。

关键词：加速度传感器振动测量蝶翼式微机械加工集成封装

蝶翼式微加速度计敏感结构抗冲击分析与优化设计

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蝶翼式微加速度计敏感结构抗冲击分析与优化设计

作者：单恒国防科技大学

学位级别：硕士

蝶翼式微加速度计是一种全差分扭摆式微加速度计,采用电容检测方式,结构设计巧妙、加工相对简单,具有很好的性能潜力和应用前景。在实际使用过程中,微加速度计会受到外界冲击,例如跌落、弹射、碰撞等,从而会导致无法正常工作甚至结构损... 详细信息

蝶翼式微加速度计是一种全差分扭摆式微加速度计,采用电容检测方式,结构设计巧妙、加工相对简单,具有很好的性能潜力和应用前景。在实际使用过程中,微加速度计会受到外界冲击,例如跌落、弹射、碰撞等,从而会导致无法正常工作甚至结构损坏。因此,研究并提升蝶翼式微加速度计的抗冲击性能具有非常重要的研究意义和实用价值。本文通过分析蝶翼式敏感结构的冲击特性,对其支撑梁和支撑方式进行了优化,在不改变原结构性能的前提下,提升了其抗冲击性能。主要研究内容如下:1.对蝶翼式敏感结构静态受力和冲击受力进行了理论分析,为提升其抗冲击性能提供了理论依据。介绍了蝶翼式微加速度计的基本结构和工作原理。通过对蝶翼式敏感结构的静态受力分析,获得了XYZ三个轴向受力时影响静态最大应力的结构参数。通过对蝶翼式敏感结构冲击受力进行理论分析,获得了结构受冲击作用时初速度、模态频率、系统阻尼等因素对结构应力的影响规律。2.针对蝶翼式微加速度计敏感结构支撑梁的应力集中问题,对其支撑梁节点处的倒角进行了优化设计。采用理论分析和仿真分析相结合的方法,对不同倒角尺寸的敏感结构进行了静力和冲击分析,获得了倒角尺寸对支撑梁应力的影响规律,确定了支撑梁倒角和长度等最优结构参数。3.提出了一种新型框架式支撑结构,进一步提升蝶翼式微加速度计敏感结构的抗冲击能力。在原有蝶翼式敏感结构静力和冲击作用下的分析基础上,提出了一种框架式支撑结构,在不改变原有结构工作模态的基础上,显著提升了结构面内抗冲击能力。采用理论分析和仿真分析相结合的方法,对敏感结构进行了静力和冲击分析,获得了框架式支撑结构关键尺寸参数对结构应力的影响规律,确定了框架结构的最优结构参数。4.对蝶翼式微加速度计敏感结构进行了静力和冲击实验。设计并加工了一系列蝶翼式微加速度计敏感结构样品,对其进行了静力实验和冲击实验,验证了理论的正确性。

关键词：微加速度计蝶翼式抗冲击结构优化应力

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蝶翼式微加速度计优化设计

蝶翼式微加速度计优化设计

作者：夏德伟国防科学技术大学

学位级别：硕士

微加速度计是测量线加速度的传感器,也是惯性导航单元的重要组成部分。因其体积小、质量轻、成本低、便于批量化生产等优点被广泛研究并应用在军事及民用领域。本单位首次提出了蝶翼式扭摆微加速度计结构,并完成了第一版加速度计原理样... 详细信息

微加速度计是测量线加速度的传感器,也是惯性导航单元的重要组成部分。因其体积小、质量轻、成本低、便于批量化生产等优点被广泛研究并应用在军事及民用领域。本单位首次提出了蝶翼式扭摆微加速度计结构,并完成了第一版加速度计原理样机的设计、加工与测试,得到了良好的实验结果,但仍存在结构不对称、加工复杂、温度特性差等问题。本文在前期的研究基础上从结构设计、加工工艺、信号检测、温度补偿等方面进行了一系列优化,测试结果表明优化后的性能较优化前有明显提升。本文内容包括下几个方面:1.敏感结构优化。本文针对前期版本加速度计的敏感梁和支撑框架不对称问题进行了优化。将六边形截面梁改进为对称的V形截面梁,将一侧为平行四边形一侧为梯形结构的支撑框架改进为两侧均为梯形结构的支撑框架,从而实现了外部支撑框架的完全对称。仿真结果表明:蝶翼式微加速度计的机械灵敏度为69.11fF/g,x轴交叉轴误差为0.00012%,y轴的交叉轴误差为0.0018%,分别约为前期版本加速度计的三百分之一和四十分之一,谐振频率为1618.4Hz,全温区偏移为5.13mg,温度系数为0.051mg/℃。并且加工误差对V形截面梁的性能的影响更小,从而提高了结构的鲁棒性。2.加工工艺优化。前期的斜梁结构在加工过程中需要四块掩膜版,加工过程复杂,容易造成较大的累积误差,降低加工精度。本文对加工过程进行了优化,使得掩膜板数量减少为两块,大大降低了工艺复杂性。同时,由于V形截面梁的自停止特点,加工得到的扭转梁结构不存在斜梁结构中的过腐蚀问题,大大提高了加工精度。3.检测电路优化。前期的检测电路为反相对称激励电路,其参考电容为外置参考电容,由于敏感结构中的检测电容和外置参考电容的温度系数不同且封装壳体内外存在温度差,因此造成加速度计温度特性差。本文采用内置参考电容结构,将参考电容设置在敏感结构中,从而减小了温度环境和温度系数差异,提高了系统的温度特性。4、对典型样机的性能对比测试。测试结果表明,采用内置参考电容后加速度1g稳定性从0.37mg提升到了0.26mg,1g全温区漂移量从182mg降到了61mg,标度因数温度灵敏度120.4 ppm/℃提升到了79.9 ppm/℃。为进一步提高系统稳定性能和检测精度,本文还对加速度计系统进行了温度补偿设计。检测结果表明,温度补偿能够将加速度计1g全温区漂移量减小了74%。

关键词：蝶翼式微加速度计结构优化内置参考电容温度补偿

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蝶翼式微加速度计ASIC设计

蝶翼式微加速度计ASIC设计

作者：王一国防科技大学

学位级别：硕士

微加速度计在MEMS传感器中最具代表性的意义。其中,扭摆式微加速度计因其具有差分检测的特点被广泛关注。蝶翼式微加速度计采用“双扭摆”的结构,具有―双差分‖的优势,是一种很有发展潜力的电容式微加速度计。本文针对蝶翼式微加速度... 详细信息

微加速度计在MEMS传感器中最具代表性的意义。其中,扭摆式微加速度计因其具有差分检测的特点被广泛关注。蝶翼式微加速度计采用“双扭摆”的结构,具有―双差分‖的优势,是一种很有发展潜力的电容式微加速度计。本文针对蝶翼式微加速度计敏感结构,设计其专用集成电路(ASIC)。主要工作如下:1.在分析蝶翼式微加速度计机械结构的工作原理的基础上,总结出了被测外界加速度a与各极板电容变化(35)C之间的关系,并给出了敏感结构的电学模型;提出了“开关电容C/V转换+开环检测”的蝶翼式微加速度计ASIC电路总体方案。2.在开关电容C/V转换电路设计中,提出了基于“差分开关电容检测”的具有“共模输入反馈”和―偏值电容补偿‖的全差分C/V转换电路结构。设计了用于C/V转换的具有“增益增强”的“折叠式共源共栅(Folded Cascode)”运算放大器。运算放大器的开环增益是A(28)121dB,带宽GBW(28)14.8MHz,相位裕度85°,转换速率为3.5V/?s,所设计的C/V转换增益为10V/pF,输入参考噪声密度为0.83?V/Hz。3.设计了C/V输出后的信号采样电路和开关电容滤波器;对ASIC必须用到的辅助电路,包括电路基准源产生电路、时钟产生电路,进行了简要介绍;完成了基于0.6?m CMOS工艺ASIC的布线(Layout)。4.完成了ASIC样品芯片的初步测试。芯片静态测试表明,C/V转换增益大约为10V/pF,基本符合设计要求;与蝶翼式微加速度计机械结构样品的联合测试表明,芯片功能正常,样品的标度因数为318.8 mV/g,较PCB板有所提升,偏值稳定性为0.484mg,与原PCB电路的性能相当。综上所述,本文首次完成了针对特定的蝶翼式加速度机械敏感结构的ASIC芯片,实现了加速度计的基本功能,基本达到了设计目标。

关键词：蝶翼式微加速度计 ASIC 开关电容检测

高灵敏度蝶翼式微加速度计抗跌落性能分析与试验

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传感器与微系统 2021年第12期40卷 22-25页

作者：单恒侯占强肖定邦虢晓双曾承志吴学忠国防科技大学智能科学学院湖南长沙410073 湖南天羿领航科技有限公司湖南长沙410100 唐智科技湖南发展有限公司湖南长沙410007

灵敏度与抗冲击性能相互矛盾。以低量程、高灵敏度蝶翼式微加速度计为对象,对其抗跌落性能进行了理论分析与试验研究。介绍了蝶翼式微加速度计的基本结构和工作原理,仿真分析了敏感结构在静态载荷作用下的应力,建立了跌落条件下敏感结... 详细信息

灵敏度与抗冲击性能相互矛盾。以低量程、高灵敏度蝶翼式微加速度计为对象,对其抗跌落性能进行了理论分析与试验研究。介绍了蝶翼式微加速度计的基本结构和工作原理,仿真分析了敏感结构在静态载荷作用下的应力,建立了跌落条件下敏感结构的动力学模型,并对其进行了静力与跌落冲击试验。理论分析与试验结果表明,跌落冲击中初速度是导致结构损坏的主要原因。

关键词：微加速度计跌落冲击蝶翼式