纳米压电梁谐振式加速度计

发布时间：2021-10-11 17:33

　　在现有的谐振式加速度计中,因具有较小的谐振频率和较低的灵敏度而无法应用于高精度制导和空中姿态微调等方面。为此,设计出了一种基于纳米压电梁的谐振式加速度计,采用上下双端音叉谐振器（谐振梁采用直径为500 nm的氧化锌）与中心质量块、左右支撑梁对称分布,实现了低交叉耦合和高灵敏度输出。分析并建立该加速度计结构的数学模型,在ANSYS WORKBENCH仿真平台下对其进行分析,上下谐振器的谐振频率分别为2.987 93和2.987 29 MHz,在该谐振频率下,X方向的位移要比另外Y、Z两个方向高两个数量级以上;在2 000g加速度载荷作用下,该加速度计最大应力为241.46 MPa;在±10g的设计量程内,该结构的灵敏度为1.133 11 kHz/g。基于SOI技术,设计纳米压电梁谐振式加速度计的工艺流程以验证其正确性。 

【文章来源】：电子测量与仪器学报. 2020,34(10)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

加速度计的力学模型

纳米压电梁谐振式加速度计总体结构如图3所示,核心部件包括上下两个基于氧化锌纳米压电梁的双端音叉谐振器、质量块、固定锚点、两个支撑梁以及外框。谐振器为单端固定即固定端与锚点相连,另一端与质量块相连。支撑梁两端分别和质量块、外框相连。Y轴为加速度计的敏感轴方向,而X轴为双端音叉的横向振动方向。在传统的微机械谐振式加速度计基础上,主要从激励/检测方式和改变刚度方式这两方面进行研究改进。氧化锌作为谐振梁的材料具有较高的Q值和压电特性,所以采用压电激励/压电检测的方式,并且通过轴向应力改变振梁的等效刚度。采用这种改变等效刚度方式的谐振式加速度计结构相对简单,但是DETF与质量块连接在一起,会造成引入的残余应力以及温度误差较大。图3 加速度计整体结构正面示意图

图2 工作原理在本文设计结构中,通过采取DETF上下对称分布来实现差频检测,从而有效的降低温度共模误差和提高纳米压电梁谐振式加速度计的结构灵敏度,DETF谐振梁的谐振频率变化差值作为加速度计的最终输出。此外,双端音叉谐振器采用单端固定的等效刚度[11]可定义为:

【参考文献】：
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本文编号：3430959