石英振梁加速度计谐振器的结构设计

石英谐振器的设计是实现高精度石英振梁加速度计的关键。首先对石英晶体的最优切型切角结构进行研究,确定石英晶体的最优切型切角为(xyt)5°。其次,理论分析并通过仿真验证了石英谐振器的结构参数对石英振梁加速度计标度因数的影响,并对石英谐振器的结构参数进行了优化。最后,对石英谐振器进行了模态仿真,并分析了石英谐振器的尺寸制作偏差对标度因数的影响。用有限元分析方法得到了石英谐振器的理想振型,且石英振梁加速度计的标度因数为40 Hz/g。理论及仿真结果表明该石英谐振器可应用于高标度因数石英振梁加速度计中。     

电场作用下石英晶体板非线性高频振动分析

建立了强电场作用下考虑材料和几何非线性的石英晶体板厚度剪切振动和弯曲振动的非线性方程组。基于厚度剪切振动近似理论的线性位移解,利用伽辽金法将非线性偏微分方程组转化为关于时间变量的常微分方程组。接着利用逐次近似法获得了石英晶体板厚度剪切振动和弯曲振动耦合的频率响应关系,并绘制了不同电压下厚度剪切振动的频率响应曲线图。数值计算结果表明,电压对石英晶体板厚度剪切振动的频率有着显著影响,其引起的频率漂移值超过了常见压电谐振器的允许值。所建立的方程可以用于石英晶体谐振器的非线性有限元分析和偏场效应求解。     

圆盘式石英谐振器集群力频传感特性分析

石英晶体谐振器的力频效应在传感器方面有重要的应用,针对传统石英晶体谐振器力灵敏度偏低,以及温度变化等因素引起的频率漂移等难题,提出了一种在基于同一石英基片上的力敏谐振器集群。通过弹性力学方法理论推导和计算了石英晶体薄圆片受径向力作用时片内各点的应力分布,得到石英晶体谐振器圆盘内各点的力频特性,建立了石英谐振器集群力传感系统。实验结果表明石英谐振器集群力频灵敏度系数达到7333 Hz/N,力敏特性明显优于传统的单电极谐振器,该石英谐振器集群可以作为敏感元件应用于力(或应力)检测以及惯性传感器等数字式测控领域。     

高性能氮化铝差分谐振式加速度计的结构设计

提出了一种高性能氮化铝(Al N)差分谐振式加速度计结构。通过引入两级微杠杆来放大质量块的惯性力,提高灵敏度;采用"I"形支撑梁来降低横向灵敏度;利用差频检测方案降低温度共模误差的影响。该加速度计主要由质量块、支撑梁、双级微杠杆和谐振器组成,并通过理论分析和有限元仿真优化了它们的结构参数。模态分析表明两个谐振器的基频大约为373.3 k Hz,与干扰模态的频率差大约为9.4 k Hz,有效地实现了模态隔离。根据灵敏度的仿真结果,Al N差分谐振式加速度计的灵敏度64.6 Hz/g,线性度为0.787%,横向灵敏度为0.0033 Hz/g。热仿真的结果表明单个谐振器的温度灵敏度约为490 Hz/℃,加速度计输出差频的温度灵敏度为–0.83 Hz/℃,证明了差频检测方案可以降低温度共模误差的影响。上述所有仿真结果验证了该加速度计结构设计的可行性。     

一种集成式石英谐振加速度计信号处理与融合方法

谐振式加速度计能够将加速度直接转化为稳定的频率信号,可以获得优良的性能。针对目前石英谐振加速度计灵敏度偏低,以及温度变化等因素引起的频率漂移等难题,提出了一种基于多电极谐振器的集成式石英加速度计的信号处理与融合的方法。集成式石英加速度计输出多路谐振信号,形成差频信号,融合后可以得到高精度的数字信号,设计了基于FPGA的电路实现方案。通过实验测试结果,输出数据响应时间为125 ms的条件下,传感器标度因数从传统的100 Hz/g以下提升到1742.5 Hz/g,线性相关系数为R~2=0.9985。提出的信号处理与融合方法具有较高的信号处理实时性,显著提高了石英谐振加速度计的灵敏度,可以应用于集成式石英谐振加速度计数据信号处理以及实时测量系统中。     

石英挠性加速度计温度建模和补偿

为降低环境温度对石英挠性加速度计测量精度的影响,从工程应用角度设计了加速度计温度建模试验环境和试验方法.为加速度计设计独立的温控装置,验证了加速度计温度特性具有重复性的基础上,在多个温度点下采用四位置翻滚试验对加速度计进行标定,利用线性拟合方法建立了加速度计零偏和标度因数的温度模型.应用该模型对加速度计进行温度补偿后,可使加速度计的测量稳定性精度提高5.55倍.将所建温度模型应用于捷联式惯性导航系统中,可有效提高系统的导航精度.     

不同电极数石英谐振器集群力敏特性分析

为了提高石英力敏谐振器的力-频转换系数,根据石英晶体压电效应及各向异性特性,利用Matlab数值计算方法,研究了径向力作用时AT切石英晶体薄圆片内各点的应力分布特点,设计了不同基频及不同电极数的石英力敏谐振器集群,并对其力敏特性进行了测试。结果表明:谐振器的力敏特性与谐振器的谐振频率、电极位置及力作用方位有关;集成于同一晶体基片不同位置的谐振器谐振频率作差频处理,得到的差频信号仍具有显著的力敏特性,同时差频信号中材料自身干扰因素的影响得到了抑制;在非耦合状态下,同一晶体基片上电极集成数越多,差频组合形式越多,得到的叠加信号的力敏特性越显著;经差频及叠加处理,集成式石英六电极谐振器的力-频转换系数可达8655.8 Hz/N。这种结构的力敏谐振器可用于高稳定的数字式力传感器及相关姿态检测控制系统。     

模态分析在高精度加速度计结构设计中的应用

石英振梁式加速度计是一种频率输出的高精度加速度计。石英谐振器是石英振梁式加速度计的关键部件。由于高动态性能要求，在结构设计阶段，必须对其进行模态分析。用模态分析理论和有限元软件工具，进行结构模态分析和谐响应分析，揭示其结构的静、动态性能。理论分析和计算机仿真结果表明所设计的结构能满足使用要求，同时为改善优化设计时的效率和质量提供依据和方法。     

石英挠性加速度计温度补偿算法

石英挠性加速度是惯性导航系统核心的惯性器件之一,其输出精度受到温度变化的影响,为了降低温度对石英挠性加速度计精度的影响,在研究石英挠性加速度计数学模型的系数随温度变化规律的基础上,设计了加速度计温度模型辨识试验方法,利用数据拟合方法建立了加速度计温度模型。应用该模型提出了石英挠性加速度温度补偿算法,针对该算法的有效性,进行了实验验证,结果表明应用该温度补偿算法,可使加速度计的测量精度提高一个数量级,补偿效果明显。该温度补偿算法可有效地应用于捷联式惯性导航系统等领域中。     

一种高灵敏度低噪声硅微谐振式加速度计

MEMS加速度计经过近四十年的发展,是目前产业化最为成功、应用最为广泛的MEMS器件之一。以硅微机械谐振器作为敏感元件的谐振式MEMS加速度计因具有检测精度高、线性度好、量程大、抗环境噪声能力强等优点,成为新一代高性能MEMS加速度计的重要发展方向。针对微小型无人平台的长时惯性导航、姿态测量等需求,设计了一种具有增敏结构的硅微谐振式加速度计,通过改进微杠杆转轴与惯性质量块支撑梁的几何形状并利用有限元仿真方法进行参数优化,在不增加芯片面积的前提下有效提升了器件灵敏度。器件设计量程±50 g,采用集成圆片级真空封装的SOI-MEMS工艺制造并配套设计了基于0.35 mm工艺的接口ASIC电路用于实现加速度计的闭环工作。所研制的原理样机测试表明,加速度计敏感谐振器品质因数为29300,灵敏度630.81 Hz/g,噪声≤1.7μg/■,零偏不稳定性(Allan方差)≤2.3μg。