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面向MEMS谐振加速度计灵敏度提升的梯形微杠杆优化研究
1
作者 赵文胜 李挺 +2 位作者 李蓉 何江波 周吴 《仪表技术与传感器》 北大核心 2025年第2期11-15,共5页
灵敏度影响微机电系统(MEMS)谐振加速度计精度。针对传统矩形微杠杆宽度较大会导致灵敏度损失的问题,提出并优化了一种梯形微杠杆。首先介绍了带有梯形微杠杆的MEMS谐振加速度计的工作原理和结构特点。再以灵敏度为目标函数,基于有限元... 灵敏度影响微机电系统(MEMS)谐振加速度计精度。针对传统矩形微杠杆宽度较大会导致灵敏度损失的问题,提出并优化了一种梯形微杠杆。首先介绍了带有梯形微杠杆的MEMS谐振加速度计的工作原理和结构特点。再以灵敏度为目标函数,基于有限元方法建立了梯形微杠杆的优化模型,包含2个步骤:第1步,建立了以支点梁位置及支点梁、输出梁和输入梁的长度为变量的灵敏度优化模型,优化结果使灵敏度达到272.9 Hz/g;第2步,以第1步得到的优化尺寸为基础,对杠杆臂的梯形形状进行优化,使灵敏度提高到302.4 Hz/g。优化得到的单位质量块面积对应的灵敏度达到42.7 Hz/(g·mm^(2)),因此通过梯形微杠杆优化可以在紧凑空间内实现高灵敏度。 展开更多
关键词 微机电系统 谐振加速度计 梯形微杠杆 灵敏度 结构优化
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基于杠杆制造误差的MEMS谐振加速度计非线性研究
2
作者 李蓉 赵文胜 +2 位作者 邓权明 何江波 周吴 《仪表技术与传感器》 北大核心 2025年第3期11-14,19,共5页
为提高MEMS谐振加速度计的线性度,考虑杠杆制造误差,研究了MEMS谐振加速度计的非线性误差。介绍了MEMS谐振加速度计的工作原理,分析利用有限元仿真计算传统四杠杆MEMS谐振加速度计的非线性误差,相比于无制造误差的理想状态,0.6μm制造... 为提高MEMS谐振加速度计的线性度,考虑杠杆制造误差,研究了MEMS谐振加速度计的非线性误差。介绍了MEMS谐振加速度计的工作原理,分析利用有限元仿真计算传统四杠杆MEMS谐振加速度计的非线性误差,相比于无制造误差的理想状态,0.6μm制造误差使非线性误差从1.46%增加到2.37%,其主要原因是制造误差使杠杆的支撑梁和输出梁产生不对称。为减小制造误差对谐振加速度计非线性的影响,提出设计一种双杠杆MEMS谐振加速度计,并且仿真计算制造误差对其非线性误差的影响。计算结果表明:相比于四杠杆结构,在0.6μm制造误差的作用下,双杠杆MEMS谐振加速度计的非线性误差降低到1.72%,因此,双杠杆结构能有效降低MEMS谐振加速度计的非线性。 展开更多
关键词 mems谐振加速度计 杠杆 制造误差 非线性误差
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变刚度单轴电容式MEMS加速度计设计
3
作者 洪逸飞 武焕臣 +2 位作者 汤沛源 刘晨 李磊 《传感器与微系统》 北大核心 2025年第4期70-73,共4页
本文提出了一种利用静电弹簧软化效应提高加速度计灵敏度的方法。加速度计采用4组U型弹簧对敏感质量进行支撑,敏感质量上设计了差分电容检测结构和静电调谐结构。实现了结构谐振频率可调,保证了加速度计的结构强度,提高了传感器灵敏度... 本文提出了一种利用静电弹簧软化效应提高加速度计灵敏度的方法。加速度计采用4组U型弹簧对敏感质量进行支撑,敏感质量上设计了差分电容检测结构和静电调谐结构。实现了结构谐振频率可调,保证了加速度计的结构强度,提高了传感器灵敏度。建立了加速度计的数学结构模型。通过仿真,对加速度计进行模态分析,研究了调谐电压对灵敏度的影响。结果表明:当调谐电压增大到30 V时,加速度计的位移灵敏度增加了34%,电容灵敏度增加了39.7%,谐振频率降低了13.4%。最后利用实验进行谐响应分析,发现加速度计的谐振频率降低了17.5%,验证了变刚度方案的可行性。 展开更多
关键词 mems 电容式加速度计 灵敏度 变刚度 谐响应分析
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MEMS加速度计在采煤机摇臂上的倾角检测研究
4
作者 陈子千 庄德玉 《电子测量与仪器学报》 北大核心 2025年第3期256-265,共10页
为满足采煤机在井下开采工况的安全采高控制需求,解决传统摇臂倾角检测方法如油缸行程位移法和编码电位器旋转测距法,存在因摇臂铰接轴长期磨损导致精度和可靠性下降,且维修困难的问题。因此,提出了基于微机电系统(MEMS)加速度计的采煤... 为满足采煤机在井下开采工况的安全采高控制需求,解决传统摇臂倾角检测方法如油缸行程位移法和编码电位器旋转测距法,存在因摇臂铰接轴长期磨损导致精度和可靠性下降,且维修困难的问题。因此,提出了基于微机电系统(MEMS)加速度计的采煤机摇臂倾角检测方法。首先,为抑制强振动工况下的高频高幅值振动噪声,提高倾角测量精度,采用临界阻尼法和组合积分法对加速度计三轴原始数据进行滤波处理,成功分离并提取出有效的重力加速度数据并得到角度;其次,通过搭建摇臂振动模拟实验台获取滤波处理后的数据,实现了振动环境下的动态倾角辨识,有效地提高了角度测量精度。实验结果表明,在5g振动环境下,两种滤波器设计具备较快的响应速度,能够迅速跟踪输入信号变化,经过组合积分滤波器后角度误差小于0.3°,经过临界阻尼滤波器后角度误差小于0.1°,测量精度能够满足实际摇臂采高需求,为实现摇臂倾角检测提供一种可行的方法。 展开更多
关键词 采煤机摇臂 mems加速度计 组合积分滤波 临界阻尼滤波 倾角检测
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MEMS加速度计全温性能优化方法 被引量：4
5
作者 刘国文 刘宇 +3 位作者 李兆涵 王学锋 金仲和 王巍 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第1期64-70,共7页
针对微机电系统(MEMS)加速度计全温性能低的问题,提出锚区应力对消方法、低应力粘接工艺和温度补偿方法。首先,通过调整两个键合的锚区面积大小实现锚区应力对消,使得加速度计的温度性能得到改善;然后,建立加速度计堆叠封装模型并对专... 针对微机电系统(MEMS)加速度计全温性能低的问题,提出锚区应力对消方法、低应力粘接工艺和温度补偿方法。首先,通过调整两个键合的锚区面积大小实现锚区应力对消,使得加速度计的温度性能得到改善;然后,建立加速度计堆叠封装模型并对专用集成电路(ASIC)粘接参数、加速度计敏感结构点胶方式与点胶参数进行仿真分析,从而确定了加速度计的低应力粘接形式和粘接工艺;最后,对加速度计零偏和标度因数设计了三阶温度补偿方法并进行了实验测试。实验结果表明,加速度计全温零偏稳定性达到47.3μg(1σ)、全温标度因数稳定性达到43.6 ppm(1σ),提高了加速度计的全温性能。 展开更多
关键词 mems加速度计 应力对消 低应力粘接 温度补偿
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一种分时差分的频率调制MEMS加速度计
6
作者 汪鹏 黄丽斌 丁徐锴 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第6期598-603,612,共7页
为提升MEMS加速度计温度适应性,设计了频率调制和分时差分方法。基于静电刚度效应,将敏感质量块因加速度产生的位移变化调制成谐振频率的变化,兼顾了位移检测的温度系数较低与谐振频率检测不易受电路噪声干扰的优点,且采用单个谐振器在... 为提升MEMS加速度计温度适应性,设计了频率调制和分时差分方法。基于静电刚度效应,将敏感质量块因加速度产生的位移变化调制成谐振频率的变化,兼顾了位移检测的温度系数较低与谐振频率检测不易受电路噪声干扰的优点,且采用单个谐振器在时间上通过刚度切换进行分时差分,从而降低零偏随温度的漂移。通过实验测得,在10 V调谐电压下,加速度计室温下的零偏稳定性为76.79μg。-40℃~60℃全温范围内经过分时差分后得到的频差全温变化量为-0.072 Hz,相较于单个刚度状态下的谐振频率变化约7.7 Hz,减小了约99%,验证了静电刚度频率调制和分时差分的有效性。 展开更多
关键词 mems加速度计 静电刚度频率调制 分时差分
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数字式MEMS加速度传感器ADXL202及应用 被引量：12
7
作者 周华 朱均 徐华 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2003年第8期27-28,共2页
介绍了一种新型的加速度传感器ADXL202。具体分析了该传感器的工作原理,讨论了提高测量精度的应用要点。介绍了一种实用的参数标定的方法以及加速度计设计中的参数计算方法,并给出了在非线性油膜力试验中具体应用的实例。实践证明ADXL20... 介绍了一种新型的加速度传感器ADXL202。具体分析了该传感器的工作原理,讨论了提高测量精度的应用要点。介绍了一种实用的参数标定的方法以及加速度计设计中的参数计算方法,并给出了在非线性油膜力试验中具体应用的实例。实践证明ADXL202非常适合于频率变化较为缓慢、加速度不太大的测量。 展开更多
关键词 加速度传感器 ADXL202 mems 数字式 加速度计
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三轴数字MEMS加速度计现场标定方法 被引量：28
8
作者 彭孝东 张铁民 +1 位作者 李继宇 闫国琦 《振动．测试与诊断》 EI CSCD 北大核心 2014年第3期544-548,595,共5页
微机电系统(micro electro mechanical systems,简称MEMS)加速度传感器作为低成本惯性测量单元在物体姿态监测中有着广泛应用。根据三轴数字加速度传感器的输出数学模型,详细推导了如何计算数学模型中标度因数、安装误差系数以及零偏值... 微机电系统(micro electro mechanical systems,简称MEMS)加速度传感器作为低成本惯性测量单元在物体姿态监测中有着广泛应用。根据三轴数字加速度传感器的输出数学模型,详细推导了如何计算数学模型中标度因数、安装误差系数以及零偏值。提出一种基于长方体的六位置简单标定方法,对比三轴转台精确标定结果表明六位置简单标定法简单易行,精度较高,易于单片机实现,适合不具备三轴转台的场所,且该方法对MEMS三轴数字加速度计的校准具有很好的通用性。 展开更多
关键词 微机电系统 加速度计传感器 标定 转台
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高冲击环境下MEMS大量程加速度传感器结构的失效分析 被引量：23
9
作者 唐军 赵锐 +1 位作者 石云波 刘俊 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2012年第4期483-486,共4页
对设计的大量程加速度传感器进行冲击测试,分析该种传感器结构在高冲击环境下的输出信号及可靠性。加速度传感器结构采用四端全固支结构,通过在梁的端部和根部设计倒角结构以分散应力。测试结果表明该传感器在232,119.4 gn下可以测试到... 对设计的大量程加速度传感器进行冲击测试,分析该种传感器结构在高冲击环境下的输出信号及可靠性。加速度传感器结构采用四端全固支结构,通过在梁的端部和根部设计倒角结构以分散应力。测试结果表明该传感器在232,119.4 gn下可以测试到有效输出信号。同时,对测试中失效传感器进行了分析,总结出大量程加速度传感器的在高冲击环境下的失效模式主要为键合引线的脱落、微梁的断裂和封装失效。 展开更多
关键词 mems 大量程加速度传感器 冲击测试 高过载 失效
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基于MEMS加速度计的飞行器姿态识别技术研究 被引量：9
10
作者 王占平 唐小宏 +3 位作者 王亚非 高椿明 周鹰 杨立峰 《压电与声光》 CSCD 北大核心 2007年第2期224-226,共3页
研究了一种利用多只低灵敏度的微机电系统(MEMS)重力加速度传感器实现对飞行器姿态识别的方法。通过对MEMS加速度传感器的输出信号进行A/D采样,获得相应的数字信号,并将其送进单片机进行处理,实现对飞行器的仰角和倾角的高精度测量,最... 研究了一种利用多只低灵敏度的微机电系统(MEMS)重力加速度传感器实现对飞行器姿态识别的方法。通过对MEMS加速度传感器的输出信号进行A/D采样,获得相应的数字信号,并将其送进单片机进行处理,实现对飞行器的仰角和倾角的高精度测量,最终得到飞行器的姿态信息。该方法可实现-180°^+180°范围内的倾角值测量,即使飞行器在旋转时也能进行实时测量,可用于需要进行姿态控制的各类飞行器的实时姿态识别。 展开更多
关键词 mems加速度传感器 飞行器 姿态 倾角 重力加速度
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MEMS面内大量程加速度传感器设计与分析 被引量：13
11
作者 赵锐 石云波 +1 位作者 唐军 刘俊 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2011年第8期1118-1121,共4页
针对目前导弹引信等武器系统领域对大量程加速度传感器的迫切需求,设计了一种测量平面内加速度的大量程压阻式加速度传感器。该传感器结构双端固支梁-质量块结构,可有效消除敏感轴轴间的交叉干扰,提高了测量精度。仿真分析表明传感器在... 针对目前导弹引信等武器系统领域对大量程加速度传感器的迫切需求,设计了一种测量平面内加速度的大量程压阻式加速度传感器。该传感器结构双端固支梁-质量块结构,可有效消除敏感轴轴间的交叉干扰,提高了测量精度。仿真分析表明传感器在敏感轴轴向灵敏度为1.41μV/gn,可实现对150 000 gn的加速度载荷的测量。 展开更多
关键词 mems加速度传感器 大量程 面内 结构设计
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MEMS高g加速度传感器高过载能力的优化研究 被引量：16
12
作者 石云波 李平 +2 位作者 朱正强 刘俊 张晓明 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2011年第7期271-274,共4页
设计的MEMS高g加速度传感器抗高过载能力差,将导致在冲击等恶劣环境中应用时结构易破坏。通过分析传感器结构对其抗过载能力的影响,及在高冲击测试中传感器结构损坏情况的统计,提出了一种新颖的优化高g加速度传感器抗高过载能力的方法... 设计的MEMS高g加速度传感器抗高过载能力差,将导致在冲击等恶劣环境中应用时结构易破坏。通过分析传感器结构对其抗过载能力的影响,及在高冲击测试中传感器结构损坏情况的统计,提出了一种新颖的优化高g加速度传感器抗高过载能力的方法。该方法是在结构最易断裂的梁根部和端部添加倒角,以分散在冲击作用下传感器结构这些部位受到的应力,进而提高加速度传感器的高过载能力,并从理论仿真分析了该方法的可行性。最后利用Hopkinson杆测试方法对优化前后的加速度传感器进行冲击测试,测试结果表明,加速度计的抗高过载能力从180 000 g提高到240000 g,说明该优化方法显著,明显提高了该类加速度传感器的抗高过载能力,设计的加速度传感器达到了较理想的抗高过载能力。 展开更多
关键词 mems高g加速度传感器 高过载 Hopkinson杆冲击测试 倒角 优化
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用于MEMS惯性开关的微弹簧有限元动力学分析 被引量：3
13
作者 杨卓青 丁桂甫 +2 位作者 蔡豪刚 付世 赵小林 《机械强度》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第4期586-589,共4页
设计水平和垂直方向两种驱动形式MEMS(micro-electro-mechanical system)惯性开关,应用ANSYS10.0有限元软件对其中的镍质微弹簧结构进行实体建模和动力学模拟分析,得到其在动载荷下的应力分布情况和端部位移响应曲线,并比较静动载荷下... 设计水平和垂直方向两种驱动形式MEMS(micro-electro-mechanical system)惯性开关,应用ANSYS10.0有限元软件对其中的镍质微弹簧结构进行实体建模和动力学模拟分析,得到其在动载荷下的应力分布情况和端部位移响应曲线,并比较静动载荷下结构参数对微弹簧水平和垂直方向上弹性常数(klevel和kvertic)的影响规律。文中的有限元动力学分析方法为较准确地评定类似MEMS微弹簧弹性常数提供一条有效途径,具有工程实际应用价值,特别是为动载荷下工作的惯性类微器件中弹簧的进一步优化与加工提供重要依据。 展开更多
关键词 微机电系统(micro-electro-mechanical system mems) 惯性开关 有限元 动力学 弹性系数
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MEMS高G值加速度传感器设计 被引量：8
14
作者 石云波 祁晓瑾 +1 位作者 刘俊 孟美玉 《系统仿真学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第16期4306-4309,共4页
针对特殊场合的测试需求,设计了四端全固支的高g值梁岛结构加速度传感器,结构中采用在质量块背部KOH腐蚀的方法,减轻质量块质量,且减小质量块质心与梁中心面的相对距离。利用力学计算与工艺相结合,确定了结构尺寸;通过Ansys软件对其进... 针对特殊场合的测试需求,设计了四端全固支的高g值梁岛结构加速度传感器,结构中采用在质量块背部KOH腐蚀的方法,减轻质量块质量,且减小质量块质心与梁中心面的相对距离。利用力学计算与工艺相结合,确定了结构尺寸;通过Ansys软件对其进行应力分析、模态分析,得到了结构的输出灵敏度与一阶固有频率;最后利用瞬态分析验证了该结构能够承受20,000g的瞬态冲击,符合设计要求。 展开更多
关键词 微机电系统 高G值 加速度传感器 仿真
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基于MEMS加速度计的无陀螺惯导系统 被引量：19
15
作者 岳鹏 史震 +1 位作者 王剑 杨杰 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2011年第2期152-156,共5页
由于MEMS陀螺精度低、漂移大,使得MEMS陀螺和加速度计构成的微惯性导航系统(Micro-INS)的精度很低,导航定位误差发散很快,不能满足载体进行导航定位定姿的要求。而相对MEMS陀螺,MEMS加速度计精度较高,据此提出用MEMS加速度计来构成的无... 由于MEMS陀螺精度低、漂移大,使得MEMS陀螺和加速度计构成的微惯性导航系统(Micro-INS)的精度很低,导航定位误差发散很快,不能满足载体进行导航定位定姿的要求。而相对MEMS陀螺,MEMS加速度计精度较高,据此提出用MEMS加速度计来构成的无陀螺微惯性导航系统(Gyro Free Micro Inertial Navigation System,GFMINS),即通过将高精度的MEMS加速度计安放在载体非质心处,代替陀螺来测量载体角运动信息,实现在短时间内的载体角速度测量精度优于MEMS陀螺的精度,以满足某些短时间运行载体的导航定位定姿要求。最后,针对某型火箭弹的运动模型,对两种惯导系统进行了仿真,结果表明,由误差补偿后MEMS加速度计构成的无陀螺微惯导系统,在100 s内的导航误差等效于传统惯导系统中陀螺漂移0.1(°)/h的误差。 展开更多
关键词 mems 惯导系统 加速度计 无陀螺惯导系统 误差补偿
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3D-MEMS加速度计性能试验研究 被引量：5
16
作者 邢丽 李荣冰 +1 位作者 刘建业 杭义军 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2011年第1期18-20,共3页
研究了一种新型三维MEMS加速度计的性能特点和工作原理。针对加速度计的输出接口特点,设计了基于数字信号处理(DSP)芯片的数据采集系统,实现对加速度计信号的高速实时采集。利用多通道缓存串行口MCBSP实现SPI总线方式的数据采集,并采用2... 研究了一种新型三维MEMS加速度计的性能特点和工作原理。针对加速度计的输出接口特点,设计了基于数字信号处理(DSP)芯片的数据采集系统,实现对加速度计信号的高速实时采集。利用多通道缓存串行口MCBSP实现SPI总线方式的数据采集,并采用2个DMA控制器实现了数据的实时传输和存储。基于设计的DSP数据采集系统,对采集的数据进行了处理,分析了加速度计在一定温度下的偏值稳定性和输出重复性,评估了加速度计的性能。 展开更多
关键词 mems加速度计 数据采集 MCBSP DMA
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一种新型力平衡扭摆式硅MEMS角加速度传感器 被引量：10
17
作者 李建利 房建成 盛蔚 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第1期73-78,共6页
在很多控制、监测和导航系统中,不仅需要角位移和角速度信息,同时还需要角加速度信息,为了测量角加速度信息,首次提出了一种力平衡扭摆式硅MEMS角加速度传感器,采用具有大扭转惯量的扭摆式活动极板作为敏感元件,长方形金属电极板作为电... 在很多控制、监测和导航系统中,不仅需要角位移和角速度信息,同时还需要角加速度信息,为了测量角加速度信息,首次提出了一种力平衡扭摆式硅MEMS角加速度传感器,采用具有大扭转惯量的扭摆式活动极板作为敏感元件,长方形金属电极板作为电容式变换器,静电力实现力平衡反馈回路,文中介绍了扭摆式硅MEMS角加速度传感器的结构及原理,详细推导出传感器的动力学方程和灵敏度,仿真结果验证了理论模型的正确性,传感器灵敏度达到0.388 9 V.(r.s-1)-1。该传感器具有体积小、质量轻、功耗小、零偏稳定性好、噪声小等优点。 展开更多
关键词 mems 角加速度传感器 扭摆式 静电力反馈 电容式变换器
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MEMS高g加速度传感器封装热应力的研究 被引量：11
18
作者 李平 石云波 +2 位作者 郭涛 刘俊 张晓明 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2010年第12期1695-1699,共5页
封装热应力是导致MEMS器件失效的主要原因之一,本文设计了一种MEMS高g加速度传感器,并仿真研究了传感器在封装过程中的热应力及影响其大小的因素。根据封装工艺,建立设计的高g加速度传感器封装的有限元模型,利用AN-SYS软件仿真传感器在... 封装热应力是导致MEMS器件失效的主要原因之一,本文设计了一种MEMS高g加速度传感器,并仿真研究了传感器在封装过程中的热应力及影响其大小的因素。根据封装工艺,建立设计的高g加速度传感器封装的有限元模型,利用AN-SYS软件仿真传感器在不同的贴片工艺中受到的热应力及影响热应力的因素。结果显示,在封装中,与直接贴片到管壳底部相比,MEMS高g加速度传感器芯片底面键合高硼硅玻璃后再贴片到管壳底部时,封装热应力可从135MPa降低到33MPa;在贴片工艺中,基板的热膨胀系数和贴片胶的弹性模量、热膨胀系数及厚度是影响封装热应力的主要因素;在健合工艺中,基板和键合温度主要影响到热应力的大小。 展开更多
关键词 封装 mems高g加速度传感器 热应力 贴片工艺 热膨胀系数
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一种新型MEMS加速度计温度补偿方法研究 被引量：26
19
作者 郑长勇 陈军宁 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2015年第1期39-42,共4页
为降低环境温度对加速度计测量输出的影响,本文提出了一种新的加速度计温度补偿方法,即三维拟合曲面和计算的补偿方法。本文详细介绍了该温度补偿方法的具体原理和实现方法,并用实验进行了验证,实验结果表明加速度计最大零位漂移由温度... 为降低环境温度对加速度计测量输出的影响,本文提出了一种新的加速度计温度补偿方法,即三维拟合曲面和计算的补偿方法。本文详细介绍了该温度补偿方法的具体原理和实现方法,并用实验进行了验证,实验结果表明加速度计最大零位漂移由温度补偿前的500 m V缩小为温度补偿后的50 m V,即温漂缩小了一个数量级,补偿效果明显。 展开更多
关键词 mems 加速度计 温度补偿 最小二乘法
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基于MEMS加速度传感器的双轴倾角计及其应用 被引量：23
20
作者 刘武发 蒋蓁 龚振邦 《传感器技术》 CSCD 北大核心 2005年第3期86-88,共3页
利用MEMS加速度传感器设计了双轴倾角计,并采用单片机进行了线性化和温度补偿,倾斜角以模拟量和数字量2种形式输出。该倾角计体积小、重量轻、精度高,能够很好地满足MAV姿态控制及其他应用的倾角测量。
关键词 mems加速度传感器 无人飞行器 倾角计 线性化 姿态控制
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