基於MEMS工藝的高性能石英加速度計諧振結構特徵研究

《基於MEMS工藝的高性能石英加速度計諧振結構特徵研究》是依託南京理工大學，由裴榮擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於MEMS工藝的高性能石英加速度計諧振結構特徵研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：裴榮
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

圍繞目前慣導系統對加速度計性能的要求：體積小、成本低、精度高和可靠性極高，本項目研究以振動學、慣性技術與MEMS工藝技術為基礎的基於諧振原理設計的石英加速度計，它是把力敏感振動石英梁作為敏感元件並能直接數字輸出。為獲得高Q因數的高質量諧振特性，採用理論分析和有限元仿真研究其振動梁的變形和應力，在此基礎上對石英加速度計進行靜、動態試驗，研究諧振機理，建立多物理場耦合條件下的關鍵結構分析模型，確定影響諧振性能的特徵參量，提出減小結構能量損耗和隔離系統的方法，以提高加速度計測量精度。另一方面，在MEMS工藝基礎上，結合振動學、壓電學理論和有限元最佳化方法，對關鍵結構參數進行深入研究，建立最佳化設計規則，實現低成本、小型化和高效能的一體化設計。本項目為提高加速度計的實際性能提供了一種新方法，對提高我國新型加速度計技術、尤其在航天航空和軍事武器領域的套用，具有重要的理論研究意義和實際套用前景。

結題摘要

隨著科學技術的發展，慣導系統對加速度計性能的要求也日益提高，要求加速度計具有體積小、成本低、精度高和可靠性極高。石英振梁加速度計正明顯地滿足了這些要求，因此它在慣導領域具有廣闊的套用前景。 本項目研究以振動慣性技術與MEMS工藝技術為基礎的基於諧振原理設計的石英加速度計，它是把力敏感振動石英梁作為敏感元件並能直接數字輸出。根據振動力學原理，推導了諧振器振動的微分方程，並給出了它的通解和軸向力作用下的頻率表達式。分析結構的電抗–頻率特性，最佳化了結構尺寸，獲得了高Q因數的高質量諧振特性。 結合模態分析理論和振動力學理論得到壓電石英晶體雙端固定梁的彎曲振動微分方程，導出了石英諧振器沿寬度方向彎曲振動的固有頻率和振型的計算公式，並得到歸一化後的振型圖。基於彈性動力學和Hamilton原理，推導出壓電石英的拉格朗日方程，再根據有限元分析的標準步驟，推導出壓電石英晶體的有限元一般公式，建立了石英振梁加速度計單片一體結構的機–電耦合模型。藉助有限元數值分析軟體解算，發現了結構的工作模態與非工作模態的性能相差很大。所進行的模態分析、機電耦合分析和諧回響分析，揭示了高精度振梁加速度計結構的靜、動態性能。 用模態分析理論和有限元軟體工具，構建結構隱式約束函式，給出了生成分析檔案、定義最佳化變數以及設定與最佳化的具體步驟，揭示了各設計變數的變化規律及影響。經結構最佳化後的石英振梁加速度計中的單個擺片的標度因數從52Hz/g提高到64.05Hz/g，提高了23%，這為提高加速度計的性能起著重要作用。 建立最佳化設計的理論和規範，實現低成本、小型化和高效能的一體設計。對石英振梁加速度計進行了八點法測試、性能穩定性測試、重複性測試和溫度測試等，標定結果顯示經結構最佳化後的石英振梁加速度計的精度得到了有效提高。本項目為提高加速度計的實際性能提供了一種新的方法，對提高我國新型加速度計技術、尤其在航天航空和軍事武器領域的套用，具有重要的理論研究意義和實際套用前景。