硅微谐振式加速度计温度特性的研究

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1、硕士论文硅微谐振式加速度计的温度特性研究摘要硅微谐振式加速度计(SiliconResonantAccelerometer，简称SRA)以其高精度、宽动态范围、低功耗和小尺寸等特点，广泛应用于军事及民用等领域，成为MEMS惯性传感器的研究热点之一。为了进一步改善SRA的性能，本文主要从谐振梁的非线性振动和谐振频率的温度特性出发，进行了以下研究：首先，对研制的SRA的工作机理展开了研究。研究了谐振器的工作原理，建立了一端固定一端弹性约束的谐振梁数学模型，推导了其振型方程和参数，确定了轴向力与谐振频率的关系，通过仿真和样机测试初步验证了谐振器的固有频率。建

2、立了微杠杆系统和支撑系统的数学模型，并对它们的放大系数和刚度进行了理论分析和有限元仿真验证。阐述了硅微谐振式加速度计的主要性能指标。其次，开展了谐振器非线性振动的研究。利用谐波平衡法推导了工作模态下振幅与谐振频率的关系，通过理论分析和仿真确定了谐振梁的三阶弹性系数K，希，并确定了非线性系数。对谐振器的非线性振动进行了有限元仿真，研究了驱动电压与振幅的关系，通过改变驱动电压的方式进行了非线性实验。第三，开展了硅微谐振式加速度计温度特性的研究。针对零偏和标度因数两个指标，分别分析了杨氏模量和残余应力的温度效应对SRA性能参数的影响。通过仿真和实验对SRA

3、零偏和标度因数的温度灵敏度进行了验证。研究了在考虑加工误差情况下温度的影响，发现残余应力是导致频率温漂的关键因素，并提出了抑制残余应力的隔离梁的设计。总结了国内外主要的温度补偿方法，提出了基于静电刚度的温度补偿方案并对此方案进行了系统仿真。第四，对结构优化后的对硅微谐振式加速度计进行了整表实验测试。分析了结构改进方式和主要性能参数。对优化后的样机进行了零偏稳定性和重复性、标度因数稳定性和重复性以及温度实验，结果表明结构优化后的SRA能有效的降低残余应力，零偏温度灵敏度降为原来的24％，标度因数温度灵敏度降为原来的2％。关键词：硅微谐振式加速度计，谐振

4、器，非线性，温度特性，残余应力，温度补偿硕士论文AbstractWithhighprecision,widedynamicrange，smallsizeandlowpowerconsumption,siliconresonantaecelerometer(sPA)potentiallyearnsawideapplicationspectruminthemilitary,civilfields．SRAhasbecomeahotresearchtopicforMEMSinertialsensors．Weaimtofurtherimprovetheperf

5、ormanceofSRA．Inthispaper,thekeyobjectivesmainlyfromtheresearchofnonlinearvibrationandtemperaturecharacteristicsofSRAare鼬follows：Firstly，theoperatingprinciplesofSRAisstudied．ThemathematicalmodeloftheresonatoriSwithoneendfixedandtheotherendconnectedtoaflexiblestructure．Thevibrati

6、onequationandmodeparametersarededucedandtherelationshipbetweenresonantfrequencyandaxialforceisbuilt．Thenaturalfrequencyisvalidatedpreliminarilythroughsimulationsandexperiments．Themathematicalmodelsofmicro-leversystemandsupportingsystemarebuilt，theamplificationfactorandstiffness

7、ofwhicharetheoreticallyanalyzedandsimulatedbyFEA．ThemainperformancesofSRAareillustrated．Secondly，forthenonlinearvibrationofresonator,therelationshipbetweenvibrationamplitudeandresonantfrequencyisinducedwiththemethodofharmonicbalancing．The3rdorderelasticcoefficientisinducedbythe

8、oreticalanalysisandsimulation,andthenonlinearcoefficie