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1、-范文最新推荐-1 / 12SRA 硅微谐振式加速度计非线性振动特性研究中文摘要硅微谐振式加速度计 ( Silicon Resonant Accelerometer , 简称 SRA) 以其精度高和抗干扰能力强等优点，广泛应用于军事及民用等领域 , 已成为 MEMS 惯性传感器的重要发展方向之一。国内外很多国家都积极投入研究，并不断取得技术上的突破和应用上的拓展。本论文主要围绕 SRA 的 非线性振动特性和微杠杆结构的力学建模 , 进行了以下研究 :(1) 建立 了 SRA 的 谐振 梁振动 的力学模型 , 推导得到谐振梁的振动频率计算公式。(2) 开展了 谐振器非线性振动特性 的研究，从理论
2、和仿真两个方面确定了谐振梁的非线性系数，理论值与仿真值误差小于 10% ，(3) 设计并 完成谐振式加速度计非线性振动特性实验， 实验值与理论值最大误差仅为 2.1% ， 验证 了 理论 分析。6648本文的研究对于 SRA 结构参数的优化有一定的参考意义。关键词 硅微谐振式加速度计 谐振器 非线性 微杠杆毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Title Title Title Nonlinear vibration characteristics of S iliconr esonant a ccelerometerAbstract Abstract Abstract AbstractS
3、 ilicon r esonant a ccelerometer (SRA) , w ith high precision and strong anti-interference capability, is wide ly used in the military and civil fields .It has become one of the important research topics f or MEMS inertialsensor s . Lots of domestic and foreign countries are active in the research,-
4、范文最新推荐-3 / 12and has been ma king breakthrough of technology and application development on SRA .In this paper, the key objectives mainly from the research of nonlinearvibration characteristics of SRA and m echanic al model of themicro-leverage mechanism are as follows:(1) The m echanics model of th
5、e r esonat or is established and the vibrationfrequency equation s are derived.(2) For the nonlinear vibration of resonator ， the 3rdorder elastic 4.2.2 Ka 计算公式推导 284.2.2 仿真验证 Ka 计算结果 . 284.2.3 Ka 计算公式简化 314 3 本章小结 325 非线性振动实验 . 32 本科毕业设计说明书（论文） 第 II 页 共 II 页5.1 驱动电压与振幅 325.2 开环电压与频率实验 345 3 本章小结 36
6、结 论 . 37致 谢 . 38-范文最新推荐-5 / 12参 考 文 献 . 391 1 1 1 引言引言引言引言1 1 1 1 1 1 1 1 谐振式加速度计 谐振式加速度计 谐振式加速度计 谐振式加速度计硅微谐振式加速度计 ( Silicon Resonant Accelerometer , 简称 SRA) 是基于微电子机械技术 （ MEMS ） 工艺基础与惯性技术结合发展起来的惯性传感器之一 ， 其结构尺寸在微米量级 ， 在航空航天 、 汽车电子及工业检测等领域都有着广泛应用 。 对于 微机械加速度计的研究 ， 开 始于 二十 世纪 70 年代初 期 ， 主要工作模式 包括 谐振式 、
7、 电容式 、压电式 、 力平衡式 、 热对流式 、 压阻式和隧道电流式等多种形式 。 目前对于微机械加速度计的研究方向主要集中于高精度 、 多轴集成和数字化输出等方面 ， 并逐渐向高精度和低功耗方向发展 1 ，主要使用光刻、腐蚀等以集成电路工艺为基础的硅微机械加工技术以及表面微加工和体微加工工艺 2 。在 SRA 研制方面 ， 美国 Draper 实验室目前处于国际领先地位 ， 其 将微机械加速度计主要应用于战术导弹，对稳定性要求较高 3, 据报道， Draper 实验室正在开发 的SRA ，在实验室测试条件下，其零偏稳定性可达 1 μ g ，标度因数稳定性可达 1ppm ， 能-范文最
8、新推荐-7 / 12够满足精确导航制导的要求。 图 1.1 所示为 Draper 实验室研制的平面内 SRA 振梁结 1 1 1 1 2 2 2 2 研究目的和意义 研究目的和意义 研究目的和意义 研究目的和意义SRA 的基本原理是利用谐振梁的力 - 频特性 ， 通过检测 谐振梁 谐振频率 的改变 量获取输入惯性力 ( 即 加速度 ) 的 大小。因其具有尺寸小、功耗低、稳定性好、精度高 、 测量范围广、易驱动控制等优势，加之其输出信号为频率信号，是一种准数字信号 ， 它不易受到环境噪声的干扰， 易于检测，同时 在传输和处理 过程 中也不易出现误差 。 因 此， SRA 更 易于 达到 高精度测
9、量 的要求 。K.E.Petersen 已在 1982 年发表的重要文献 6中提到，由于单晶硅良好的机械特性 ， 比传统石英材料更适合成为高性能传感器的载体 。 与传统石英谐振式传感器相比 ，SRA 具有以下优点 7： 1 ）杂质浓度极低，弹性结构好， 2 ）隔离附加器件压力的效果好， 3 ）静电驱动和检测设计灵活性更大。硅微谐振式加速度计的上述特点，决定了其具有良好的发展前景。但是 通过 SRA 的实验表明 ， 目前 研究 存在的主要问题 有 ：-范文最新推荐-9 / 121) 非线性。 SRA 的输出频率随着驱动电压的改变呈现非线性变化的现象，从而影本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页
10、共 39 页响了 SRA 的稳定性，需要对其非线性进行研究。2) 温度误差。 SRA 谐振频率随温度变化表现出明显的漂移现象，需要对其温度效应进行研究。3) 加工工艺。受制于加工工艺的影响， SRA 都存在一定的加工误差并且导致了的性能不一致性问题。上述问题都是影响 SRA 批量生产的阻碍因素，所以从这些方面入手研究 SRA 都有助于加速其发展 , 具有长远的实际意义。 double-ended tuning forks ，简称 DETF ） 结构 。 当有输入加速度时， 质量块一端的音叉梁 受 拉 力 ， 另 一 端 受压力 ， 它们的谐振频率分别 相应地 增加和减小 。 经过信号 的本科毕
11、业设计说明书（论文） 第 4 页 共 39 页差分处理 ， 可得到它们的差动频率 ， 在一定输入加速度范围内 ， 此差分 值与输入加速度值成正比关系 。 图 2.2 所示为 SRA 在不同加速度载荷作用下的谐振器振动频率变化情况 9 。图 2.1 硅微谐振式加速度计工作原理频 率 变 化 / Hz加 速 度 /g 图 2.2 SRA 谐振 频率 随 加速度 变化的 关系-范文最新推荐-11 / 122 2 2 2 2 2 2 2 谐振谐振谐振谐振 梁振动 梁振动 梁振动 梁振动 的力学模型 的力学模型 的力学模型 的力学模型SRA 的核心部分是谐振器 （ 如图 2.3 ） ， 可以看作是两个彼
12、此独立 ， 反对称分布的谐振梁 10 。 SRA 的整体模型 ， 如图 2. 4(a) 所示 ， 主要由支撑系统 、 质量块 、 力放大系统和谐振器组成。 简化 图 2. 4(a) 所示虚线框部分，提取谐振梁的力学模型， 谐振梁一端与锚点固定联接， 看作固支。 由于 图 2. 4(a) 中， 加速度计的灵敏轴为 x 方向，即待测质量块主要沿 x 向运动 , 连接块同时与左右两个谐振梁相连，根据结构的对称性可知连接块在 y 向的位移为零（对样机进行仿真验证，也证明了这一点） , 故谐振梁的另一端边界条件简化为 y 向固定 ， x 方向连接等效刚度为 Ka 的 弹性约束 ， 谐振梁振动等效力学模型 如图 2. 4(b) 所示 SRA 硅微谐振式加速度计非线性振动特性研究(4):
