高g值硅微加速度计的结构设计与分析

发布时间：2017-03-30 02:08

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【摘要】：《高g值硅微加速度计的结构设计与分析》属于现代微机电系统设计理论和设计方法应用技术研究领域,课题源于国防科工委MEMS高过载传感器在引信中的应用研究。 本文在对各种硅微传感器特点进行比较的基础上,选择了适用于高冲击环境,有较高抗过载性能的电容式硅微加速度传感器作为研究对象。对其工作原理和数学模型进行了阐述和研究。 在详细阐述了电容式加速度计工作原理的基础上,选择扭摆式加速度传感器作为设计对象,根据高g值加速度计的性能要求,设计计算了加速度计的结构尺寸,并对结构尺寸对其性能的影响进行了分析。找到了影响高g值加速度计性能的关键尺寸因素,例如支承轴宽度和长度尺寸。 使用有限元方法,对计算得到的高g值加速度计结构进行了静力学和动力学仿真,以验证该结构的抗高过载能力、在高g值环境下结构的应力分布情况,验证结构的谐振频率和对高冲击信号的响应情况;同时使用ANSYS的压膜阻尼分析功能,对扭摆式高g值加速度计中的压膜阻尼进行了分析计算,得到一套计算压膜阻尼的方法,根据计算结果,发现在扭摆式高g值电容加速度计中压膜阻尼对结构影响甚微,可以忽略。 确定加速度计结构尺寸以后,采用MEMS专业软件MEMS Pro4.0进行了版图设计,制定了适用于高g值加速度计的加工工艺流程。对加工出来的硅微加速度计进行了高冲击下的试验测试,得到了正确的响应曲线,进一步验证其性能。 实验表明,设计和加工好的高g值硅微加速度传计基本达到引信使用环境要求。通过对硅微加速度传感器的结构设计和分析,掌握了硅微机构设计的基本步骤和方法,对今后将微结构应用于引信安全机构上奠定了基础。
【关键词】：微机械 高g值电容加速度计 MEMS
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TH824.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-5
• 目录5-7
• 1 硅微加速度计的发展7-14
• 1．1 MEMS和微系统7-9
• 1．2 硅微加速度计以及国内外的研究状况9-13
• 1．3 本文的主要工作13-14
• 2 高g值加速度计的方案选择14-21
• 2．1 目前硅微加速度传感器中几种典型传感器工作原理与特点14-18
• 2．1．1 热对流加速度计14-15
• 2．1．2 电容式加速度计15-16
• 2．1．3 压阻式加速度计16-17
• 2．1．4 谐振加速度计17
• 2．1．5 隧道电流型加速度计17-18
• 2．2 变间隙式电容式加速度计的机理18-19
• 2．3 高g值加速度计结构形式的选择19-21
• 2．3．1 “三明治”式电容加速度计19
• 2．3．2 “跷跷板”扭摆式电容加速度计19-20
• 2．3．3 梳齿式电容加速度计20-21
• 3 高g值电容式加速度计的结构21-31
• 3．1 扭摆式加速度计的基本数学模型21-22
• 3．2 扭摆式电容加速度计的性能指标22-29
• 3．2．1 固有频率22-24
• 3．2．2 量程24-26
• 3．2．3 分辨率26
• 3．2．4 阻尼26-29
• 3．3 传感器结构的具体尺寸29-31
• 4 高g值加速度计的仿真31-43
• 4．1 有限元法的发展和ANSYS软件31-34
• 4．2 加速度计结构静力分析34-36
• 4．3 加速度计结构动力学分析36-43
• 4．3．1 模态分析36-38
• 4．3．2 瞬态动力学分析(时间历程分析)38-40
• 4．3．3 阻尼分析40-43
• 5 版图设计与加工43-51
• 5．1 版图设计43-45
• 5．2 工艺45-51
• 6 试验测试51-57
• 6．1 马希特锤击试验51-52
• 6．2 Hopkinson杆试验52-54
• 6．3 动态试验54-55
• 6．4 问题与分析55-57
• 7 总结与展望57-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-65
• 附录65-66
• 附录A 传感器结构应力有限元分析65-66

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