MEMS惯性器件敏感电容结构相关温度漂移特性仿真

基于MEMS器件的微型惯导系统的精度和MEMS惯性器件的全温稳定性具有很高的相关性.MEMS结构相关的温度漂移主要来自材料之间的热失配应力,工艺引入的应力,以及封装应力等.而相关应力在MEMS结构中的分布以及所造成的应变又和MEMS结构具有一定相关性.通过ANSYS有限元分析软件建立了多种MEMS惯性器件常用梁-质量块结构的FEM模型,具体包括悬臂梁结构、双端固支梁结构、L形梁结构、对角支撑梁结构.通过热-力耦合仿真,研究了热失配应力在上述结构中的分布以及所产生的结构变形.对比分析了不同芯片粘胶形式,包括中心粘胶、三点粘胶、整片粘胶对上述MEMS结构引入的封装应力以及其全温(-40℃～60℃)温度漂移特性.此外,还分析研究了不同衬底厚度对MEMS结构封装应力的隔离效果.     

蝶翼式MEMS加速度计温度稳定性提升方法

环境温度变化造成的热应力是影响MEMS加速度计性能的关键因素。为了提升MEMS加速度计温度稳定性,以蝶翼式MEMS加速度计为研究对象,分别在敏感芯片上设计应力释放结构和敏感芯片与陶瓷基底之间设计应力隔离结构。利用有限元分析工具COMSOL对有无应力释放和隔离结构的情况进行了对比仿真,结果表明敏感单元上的敏感梁应用应力释放结构只有原结构最大应力水平的0.3%,封装时采用应力隔离结构间接连接比原直接连接方式最大应力下降一个数量级。采用微机械加工技术和微电子工艺技术结合的MEMS加工工艺实现含应力隔离结构的加速度计原理样机制作。对样机进行温度测试,试验结果表明有应力释放与隔离结构在-40°C～60°C区间的漂移量比无应力释放与隔离结构提升约3.5倍,验证了应力释放与隔离结构对温度稳定性提升的有效性,研究结果可以为加速度计在高性能、恶劣环境下的应用提供参考。     

MEMS惯性器件敏感电容结构相关温度漂移特性仿真（英文）

基于MEMS器件的微型惯导系统的精度和MEMS惯性器件的全温稳定性具有很高的相关性。MEMS结构相关的温度漂移主要来自材料之间的热失配应力,工艺引入的应力,以及封装应力等。而相关应力在MEMS结构中的分布以及所造成的应变又和MEMS结构具有一定相关性。通过ANSYS有限元分析软件建立了多种MEMS惯性器件常用梁-质量块结构的FEM模型,具体包括悬臂梁结构、双端固支梁结构、L形梁结构、对角支撑梁结构。通过热-力耦合仿真,研究了热失配应力在上述结构中的分布以及所产生的结构变形。对比分析了不同芯片粘胶形式,包括中心粘胶、三点粘胶、整片粘胶对上述MEMS结构引入的封装应力以及其全温(-40℃~60℃)温度漂移特性。此外,还分析研究了不同衬底厚度对MEMS结构封装应力的隔离效果。     

高量程MEMS加速度计的热应力仿真与可靠性评估

硅压敏电阻阻值漂移过大导致输出失效是高量程MEMS加速度计在恶劣温度环境下工作的主要失效模式之一。通过模拟仿真加速度计悬臂梁、芯片结构和封装后整体模型的热应力分布情况,确定了压敏电阻所在结构梁区域是最容易失效的位置,且最大热应力分布在芯片梁与质量块倒角处,其值约为107 N/m2;通过设计的高温加速恒定应力试验验证了加速度计的温度敏感特性,根据试验数据的特征采用三种可靠度评估方法定量外推出高量程MEMS加速度计在规定应力条件下的可靠度指标。研究结果表明,加速性能退化试验和基于退化量的可靠性评估方法适用于高量程MEMS加速度计在温度环境中的可靠性研究,能够利用有限的试验数据获得可信度较高的评估结果。     

温度、预载电压对MEMS加速度计输出的影响

梳齿式微机械加速度计的微机械结构在工作中受到预载电压、温度等多种因素的影响,输出具有非线性,研究指出这种非线性度和微机械结构的闭环位置相关.为了明确非线性度的来源,将从其系统模型入手分析,给出闭环状态和输出非线性度的定量关系.此外,环境因素也会通过加力电路间接的影响闭环系统的输出造成非线性度,文中将着重研究预载电压对称性和环境温度这两个重要的环境因素通过检测电路影响输出线性度的情况,并给出了实验验证.     

基于物联网的MEMS加速度计测试分析系统设计

加速度计性能远距离测试及对测试数据同时进行自动保存和自动分析处理是经常遇到的工程问题。针对这一问题,提出了基于物联网的加速度计测试分析方法。应用物联网技术设计了加速度计数据远程自动采集系统,并实现了测试数据网络共享功能。应用线振动试验法实现了单轴MEMS加速度计的性能自动测试,应用多项式拟合方法建立了加速度计的二阶误差修正模型。应用虚拟仪器软件和工程数据库技术设计了网络环境下的测试系统软件,并实现了对实验数据的自动储存、显示、查询、删除、实验报表打印与自动分析处理功能。实验结果表明测试系统实现了远程加速度计性能测试及实验数据自动保存和自动分析功能。     

基于MEMS加速度计的倒置开关

运用MEMS加速度计MMA8453Q和单片机MSP430设计了一种针对放入式电子测压器的倒置开关。利用加速度计方向检测功能,单片机通过I2C接口读取加速度,判断是否倒置。倒置开关经步进电机多次旋转倒置测试成功率达到100%,并利用霍普金森杆进行了抗过载测试。结果表明,在受到45000g 冲击后仍能正常工作,能满足火炮等高冲击场合的测试要求。     

MEMS加速度计温漂预测补偿模型

温度漂移是影响MEMS加速度计实用效能的关键问题,为提高加速度计的精度和使用范围,需对温漂进行建模和补偿.首先通过温度循环试验对MEMS加速度计温漂特性进行了分析,然后分别采用曲面拟合法、SVM模型和RVM模型建立了温漂预测补偿模型,最后应用环境温度试验数据对模型进行检验和验证.结果表明:三种方法均能够有效的预测加速度计温漂,补偿后的温漂滞环开口由60 mg分别下降到5 mg、10 mg、1 5 mg.曲面拟合法简单、精度高,但对系统重复性要求高,且对噪声比较敏感;SVM模型法计算能力强,但计算量较大,模型参数较多;RVM模型法模型参数较少,计算量小,但训练时间校长,且预测精度不如其他两种方法高.     

翘翘板摆式MEMS加速度计振动整流误差

MEMS加速度计凭借其体积小、成本低、可靠性高及可批量生产等优势,已经在战术级精度的武器领域得到了广泛应用。但是,在振动环境下的输出误差(振动整流误差)成为其向导航级精度发展的主要指标瓶颈。为了减小MEMS加速度计的振动整流误差,对传感器芯片结构不对称性和电路零位误差引起的力矩器结构非线性进行了理论分析,然后按照振动法测非线性的方式对上述误差源引起的系统级误差模型进行了仿真试验验证,确定了各误差源与加速度计非线性系数间的影响关系。最后,对主要误差源(电路零位)优化前后的MEMS加速度计振动整流误差和非线性系数进行了测试对比,结果表明:优化后,在50~1500 Hz频率范围内MEMS加速度计二阶非线性的最大值可由1E-4g/g~2降至5E-6g/g~2。     

大量程闭环MEMS加速度计非线性分析与优化法

为研究大量程翘翘板摆式闭环MEMS加速度计系统的输出非线性,分别从质量块受力不平衡所产生的平动效应以及电路零位引起质量块闭环平衡位置偏差两个主要误差源入手,建立了两种误差引起加速度计非线性的数学模型,并采用ANSYS和Simulink软件对传感器结构及系统进行了仿真验证,确定了该模型的正确性及非线性的优化方法。最后,按照以上分析进行了样机制作和离心测试。试验结果表明,通过减小翘翘板摆式结构质量块的平动效应,可将±150g量程加速度计的非线性由5.4979′10-2减小至5.320′10~(-3),在此基础上通过减小质量块闭环平衡位置偏差,可进一步将加速度计的非线性减小至2.772′10~(-3)。     

MEMS陀螺仪短时漂移特性实验研究

针对低精度MEMS陀螺仪适合短时间工作的特点,在不同采样频率下测试了常用MEMS陀螺仪的短时漂移,对比研究并分析讨论了各种被测MEMS陀螺仪的短时漂移特性,发现石英系列MEMS陀螺仪的短时漂移在高频采样时表现出显著的周期性,并说明测试石英MEMS陀螺仪需要高采样频率,应用时需精确标定补偿其周期特性。     

隧道加速度计零偏漂移的动态补偿

信号处理电路及反馈控制电路能极大的提高隧道加速度计的灵敏度和分辨率,但工作在闭环状态存在明显的零点漂移,需要进一步在结构设计和电路设计上进行改进。在分析静电驱动力和反馈力的基础上,提出了一种动态补偿零点漂移的方法,它通过拟合其零点漂移趋势来调整反馈电路的反馈参数。此方法相对简单,且能有效改善漂移现象,不致于输出饱和,使其能长时间工作。     

基于MEMS加速度计的弹体滚转角测量方法

为了实时获取弹体飞行时的滚转角姿态信息,提高高速滚转制导弹药的射击精度,提出了一种使用两个MEMS加速度计构成滚转角测量系统的方法。开展了弹上姿态测量惯性传感器的配置方案研究;建立了系统量测方程与基于"当前"统计模型的状态方程;提出了一种改进的自适应UKF非线性滤波算法,采用速度估计自适应方法实现了对过程噪声方差阵的自适应调整,提高了滤波精度。同时,采用最小偏度单形采样策略减少了Sigma点的数量,提高了滤波解算速度。三轴飞行转台仿真实验研究表明:该方法测量精度高,收敛速度快,具有很高的工程应用价值。     

加速度计温度模型的辨识

本文采用最小二乘估计和正交多项式拟合的方法，得到了石英挠性摆式加速度计（精度４×１０－５）模型系数随温度变化的规律，建立了２０℃—５０℃温度范围内加速度计的温度模型。应用该模型进行温度干扰补偿后，使模型辨识精度提高一个数量级。通过大量的重复性试验证明了方法的正确性。     

MEMS陀螺随机漂移多尺度滤波方法

为了能有效地补偿MEMS(微电子机械系统)陀螺仪的随机漂移,提高载体姿态估计的精度,基于小波理论与多尺度分析方法,使用db4小波,将MEMS陀螺仪随机漂移进行深度为4的多尺度分解,得到5组小波系数。根据分解后的各尺度系数进行信号重建,得到5组多尺度陀螺仪漂移数据。对重建后的各尺度漂移数据进行时间序列建模,可以得到MEMS陀螺仪随机漂移的多尺度时间序列模型。在多尺度时间序列模型的基础之上,建立多尺度离散系统的系统模型,使用卡尔曼滤波方法,对个尺度陀螺随机噪声进行滤波,可以有效地滤除MEMS陀螺仪的随机漂移。试验结果表明本方法能有效降低信噪比。     

一种大过载MEMS加速度计新型封装方法

传统的MEMS系统级封装多采用IC标准的封装形式,例如塑料封装形式、陶瓷管壳封装形式、TO 系列金属管壳封装。由于大过载传感器需要工作环境冲击振动比较高,陶瓷管壳容易破碎;塑封采用热塑成型,封装后残余应力大;TO系列管壳体积较大,并且采用直插形式安装,在超过5×103g冲击下,管脚容易折断。针对这种情况,本文提出了一种新型 MEMS 加速度计封装方法,在圆片级采用玻璃-硅-玻璃三层结构,并采用铝金属壳体螺钉安装并在壳体内部双组分环氧树脂灌封。封装之后的大过载加速度计具有体积小,密封性强,残余应力小、抗强冲击、稳定性好、适应于小批量生产等优点。     

基于MEMS加速度计的无陀螺惯导系统

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 FreeMicroInertial N...     

基于MS3110电容读取芯片的MEMS加速度计

介绍了通用电容读取芯片MS3110的内部结构、基本原理及其使用方法,提出了采用单片机实现片内EEPROM编程的方法,并给出了读写控制框图。以梳齿式硅微传感器为敏感元件,采用滞后比例积分调节器,基于MS3110通用电容读取芯片设计了一种MEMS力平衡闭环加速度计。实验结果表明:设计的MEMS加速度计能够闭环正常工作并取得了一定的性能。     

基于ACS算法的MEMS加速度计现场标定方法

针对MEMS加速度计测量误差大、精度低,难以快速、准确现场标定的问题,提出了一种基于自适应布谷鸟搜索(ACS)算法的MEMS加速度计现场标定方法.通过误差分析,建立了多参数非线性误差模型,并从标定结果的方向性出发构造了标量约束目标函数.在布谷鸟搜索(CS)算法的基础上,通过提出自适应权重和自适应调节因子对算法进行了自适...     

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。