高过载小量程加速度敏感结构设计
发布时间：2021-11-23 09:13
上世纪50年代末Richard Feynman提出了MEMS技术的设想,60年代初期制成了第一只微型压力传感器,80年代,斯坦福大学Roylance等人研制出了首个硅材料压阻式加速度传感器。经过几十年来的发展,现在MEMS加速度传感器已有了较为成熟的工艺技术支持,制成的不同种类的加速度传感器可以满足很多实际应用的需求,在防空、医疗、空间飞行、探测、交通、电子产品等方面的应用都占有不可替代的地位,发展前景广阔。为顺应未来信息时代的发展走向,MEMS加速度传感器正向微型化、数字化和高精度、高可靠的方向发展。本课题针对地质勘探领域对加速度传感器的应用需求,设计一种用于探测深层地质情况的加速度敏感芯片。在这一应用领域,加速度传感器用来探测地下爆破后不同位置的振动状况,现阶段基本都采用电容式加速度传感器,其优势在于灵敏度高,但是存在线性度差、工艺复杂和过载能力低的问题。针对电容式加速度传感器的不足,本文选用压阻式加速度敏感结构,为弥补压阻式加速度传感器测量小信号精度低这一不足,设计优化一种基于MEMS技术的高过载小量程压阻式加速度敏感芯片。该芯片是基于悬臂梁和质量块对加速度敏感的基本结构,设计优...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MEMS加速度计截面图
第1章绪论3三个MEMS加速度传感器通过正交直角的形式组成。该检波器正交叉轴信号的抑制非常好，灵敏度精度可达0.3%，信号隔离度好于40dB，无倾斜角度限制，但是存在固有频率不高，线性度和过载能力较差的问题。2010年，西南石油大学谌贵辉等人基于MEMS伺服式加速度传感器，针对石油勘探领域设计了一款多选择输出的新型地震检波器[19]，结构如图1.2所示。其采用电容式加速度敏感结构，在加速度质量块上溅射一层导电优良的金属作为活动电极，在其两侧有两个固定电极，与悬臂梁的镀层构成了一个差动平板电容。施加加速度作用时，活动电极发生偏离移位，产生电容差△C，从而将模拟量转变为电量形式。该敏感芯片的精度和分辨率都比较好，但是其线性度较差，需要用信号处理电路做补偿，容易造成结果的误差。图1.2新型MEMS地震检波器Fig.1.2NewMEMSgeophone2013年长江大学和中海油田服务股份有限公司联合研究MEMS数字检波器技术的特点及应用效果[20]，不仅分析了模拟检波器和基于MEMS的数字检波器的特点，还设计了如图1.3所示的数字三分量检波器，该检波器的优点在于不会受到50Hz工业电的干扰，具有0~800Hz的线性频率响应，能很好的保存大于100Hz的高频信号，功耗低、质量轻，灵敏度高、失真度低等，但是对于小信号的测量，线性度较差，灵敏度不高。
沈阳工业大学硕士学位论文4图1.3数字三分量检波器内部部件图Fig.1.3Internalcomponentsofdigitalthree-componentdetector2014年，湘潭大学由金湘亮教授带领的课题组针对石油勘探问题，在国内首次成功研制MEMS加速度传感器芯片。该芯片集成了多种模式信号，芯片的过载恢复、系统的休眠/启动以及通信协议等参数经测试均能达到预期目标，这也被看做是国内首款用于石油勘探的MEMS加速度传感器[21]，但在小量程加速度传感器方面还需继续深入研究。1.3课题目的及意义根据前文对加速度敏感结构在地质勘探中应用现状的介绍，可以看出目前设计的敏感芯片对于小信号的测量较为困难，存在线性响应差，灵敏度低等问题。对于小量程的加速度敏感芯片，还存在提高过载能力的难题。针对这些问题，本节针对应用要求和如何解决目前加速度敏感芯片存在的问题进行分析，设定敏感芯片的预期性能参数。1.3.1课题研究目的深层地质勘的关键在于MEMS加速度敏感芯片的性能是否优越，因此优化设计出一种灵敏度高、过载能力强、抗干扰性能优、适用于深层小信号监测的小量程加速度敏感芯片是本课题研究的重点。针对前文提出的问题，本课题基于MEMS技术设计优化一种高过载小量程压阻式加速度敏感芯片。该芯片是基于悬臂梁和质量块对加速度敏感的基本结构，设计优化带有微梁和支撑梁的单轴压阻式加速度敏感芯片，最终应用于地质勘探设备的信号采集部分。为此提出所设计的加速度敏感芯片的主要参数指标，如表1.1所示。
本文编号：3513573
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MEMS加速度计截面图
第1章绪论3三个MEMS加速度传感器通过正交直角的形式组成。该检波器正交叉轴信号的抑制非常好，灵敏度精度可达0.3%，信号隔离度好于40dB，无倾斜角度限制，但是存在固有频率不高，线性度和过载能力较差的问题。2010年，西南石油大学谌贵辉等人基于MEMS伺服式加速度传感器，针对石油勘探领域设计了一款多选择输出的新型地震检波器[19]，结构如图1.2所示。其采用电容式加速度敏感结构，在加速度质量块上溅射一层导电优良的金属作为活动电极，在其两侧有两个固定电极，与悬臂梁的镀层构成了一个差动平板电容。施加加速度作用时，活动电极发生偏离移位，产生电容差△C，从而将模拟量转变为电量形式。该敏感芯片的精度和分辨率都比较好，但是其线性度较差，需要用信号处理电路做补偿，容易造成结果的误差。图1.2新型MEMS地震检波器Fig.1.2NewMEMSgeophone2013年长江大学和中海油田服务股份有限公司联合研究MEMS数字检波器技术的特点及应用效果[20]，不仅分析了模拟检波器和基于MEMS的数字检波器的特点，还设计了如图1.3所示的数字三分量检波器，该检波器的优点在于不会受到50Hz工业电的干扰，具有0~800Hz的线性频率响应，能很好的保存大于100Hz的高频信号，功耗低、质量轻，灵敏度高、失真度低等，但是对于小信号的测量，线性度较差，灵敏度不高。
沈阳工业大学硕士学位论文4图1.3数字三分量检波器内部部件图Fig.1.3Internalcomponentsofdigitalthree-componentdetector2014年，湘潭大学由金湘亮教授带领的课题组针对石油勘探问题，在国内首次成功研制MEMS加速度传感器芯片。该芯片集成了多种模式信号，芯片的过载恢复、系统的休眠/启动以及通信协议等参数经测试均能达到预期目标，这也被看做是国内首款用于石油勘探的MEMS加速度传感器[21]，但在小量程加速度传感器方面还需继续深入研究。1.3课题目的及意义根据前文对加速度敏感结构在地质勘探中应用现状的介绍，可以看出目前设计的敏感芯片对于小信号的测量较为困难，存在线性响应差，灵敏度低等问题。对于小量程的加速度敏感芯片，还存在提高过载能力的难题。针对这些问题，本节针对应用要求和如何解决目前加速度敏感芯片存在的问题进行分析，设定敏感芯片的预期性能参数。1.3.1课题研究目的深层地质勘的关键在于MEMS加速度敏感芯片的性能是否优越，因此优化设计出一种灵敏度高、过载能力强、抗干扰性能优、适用于深层小信号监测的小量程加速度敏感芯片是本课题研究的重点。针对前文提出的问题，本课题基于MEMS技术设计优化一种高过载小量程压阻式加速度敏感芯片。该芯片是基于悬臂梁和质量块对加速度敏感的基本结构，设计优化带有微梁和支撑梁的单轴压阻式加速度敏感芯片，最终应用于地质勘探设备的信号采集部分。为此提出所设计的加速度敏感芯片的主要参数指标，如表1.1所示。
本文编号：3513573
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