石英振梁加速度计技术研究

发布时间：2017-03-19 06:02

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【摘要】：本文阐述了一种新型的石英振梁加速度计，其主要特点在于采用了一体的石英单梁结构，通过简单的化学刻蚀就可以得到。该结构通过优化设计使由一个质量块、一根振梁和两个挠性铰链组成的活动部分具有很好的振动隔离效果。通过一个挠性的隔离框结构实现了与安装框的振动隔离。一体式结构小巧简单易于制造，也非常适合安装和小型化。其采用MEMS工艺进行加工，便于低成本批量生产。因此就避免了传统的双梁石英振梁加速度计结构工艺复杂、芯片和基座装配难度大、加工成品率低的缺点。 本文详细介绍了石英振梁加速度计的设计理论，包括：石英晶体的压电效应、石英晶体的力—频特性以及力—频灵敏度及其温度特性等，，并介绍了石英振梁加速度计的静态数学模型及实验方法。在结构设计阶段运用有限元方法对加速度计进行了模态分析、动态响应分析、应力分析以及压电分析，仿真验证了加速度计的谐振频率、动态响应、结构屈服应力以及导电带的合理设计。通过有限元模拟仿真对加速度计的关键结构参数进行了优化设计，确定了合理的关键尺寸。 在仿真分析基础上，完成了石英振梁加速度计的设计及关键微加工工艺研究，包括：单步双面多层光刻工艺、石英晶体各向异性刻蚀工艺等。这些关键工艺的突破使该类加速度计结构简单、便于批量生产的优点得到充分体现。本项目所突破的微加工工艺技术处于国内领先水平。 本文还给出了实际的石英振梁加速度计样机的性能测试结果。测试结果表明，样机达到预期的设计技术指标，即，测量范围：±50g，分辨率：≤1×10~(-3)g，标度因数稳定性：≤300ppm。
【关键词】：加速度计 石英 MEMS 有限元法
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TH824.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 引言7-11
• 1.1 概述7-8
• 1.2 MEMs技术简介8-9
• 1.3 国内外发展历史及研究现状9-11
• 第二章 石英振梁加速度计的设计及分析理论介绍11-29
• 2.1 设计理论介绍11-21
• 2.1.1 石英晶体的压电效应11-14
• 2.1.2 压电石英晶体的力-频特性14-18
• 2.1.3 力-频灵敏度及其温度特性18-21
• 2.2 有限元分析理论介绍21-23
• 2.2.1 有限元法综述21-22
• 2.2.2 ANSYS软件介绍22-23
• 2.3 石英振梁加速度计的静态数学模型及实验方法23-29
• 2.3.1 静态数学模型23-24
• 2.3.2 加速度计在地球重力场中的试验方法24-29
• 第三章 石英振梁加速度计设计及仿真分析29-41
• 3.1 工作原理29-30
• 3.2 结构设计30-31
• 3.3 仿真分析31-38
• 3.3.1 石英振梁加速度计模态分析32-34
• 3.3.2 动态响应分析34
• 3.3.3 加速度计的应力分析34-35
• 3.3.4 压电分析35-38
• 3.4 加速度计的优化设计38-41
• 第四章 石英振梁加速度计的微加工工艺41-49
• 4.1 光刻工艺41-43
• 4.2 石英晶体各向异性刻蚀工艺43-49
• 第五章 石英振梁加速度计的误差估计49-52
• 5.1 布朗噪声49-50
• 5.2 温度误差50-51
• 5.3 交叉加速度误差51-52
• 第六章 石英振梁加速度计的实验结果52-57
• 第七章 结论57-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-61
• 攻硕期间取得的研究成果61
• 1. 个人简历61
• 2. 在学期间的研究成果61
• 3. 发表的学术论文61

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 阎文静;张鉴;高香梅;;压阻式压力传感器性能的研究[J];传感器世界;2012年02期

2 王磊;汪立新;杨建业;闫新;;基于时间序列的振梁加速度计随机误差模型研究[J];电光与控制;2009年11期

3 高延滨;詹俊妮;何昆鹏;王庭军;;高精度石英振梁加速度计频率采样系统设计[J];应用科技;2012年03期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 詹俊妮;MEMS INS/GPS组合导航系统设计[D];哈尔滨工程大学;2012年

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本文编号：255599