基于MEMS的参量放大的设计与实现.pdf

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1、100传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2013年第32卷第l2期基于MEMS的参量放大的设计与实现王宏博，周斌，陈志勇，张嵘，张瑞雪(1．清华大学，北京100084；2．中国兵器工业导航与控制技术研究所，北京100089)摘要：参量放大效应是一种非线性振动放大效应，利用该效应可以极大地增加MEMS陀螺和加速度计等谐振式传感器的振幅，从而提高谐振式传感器检测灵敏度和信噪比。根据理论分析和有限元仿真结果，设计了一种MEMS参量放大结构。该结构采用SOG工艺加工，在950Pa左

2、右的气压环境下对该结构进行了实验研究，并得到了该结构参激电压、相位与放大倍数之间的关系。实验结果表明：参量放大效应的实测结果与理沦分析结果吻合很好，当参数激励电压为5。7V时，参量放大倍数超过50倍，大幅提高了结构的振幅，为以后应用参量放大效应提高MEMS惯性仪表性能提供了一种新方法。关键词：参量放大；微机电系统；谐振子；惯性仪表中图分类号：U666．1文献标识码：A文章编号：1000--9787(2013)12-0100-04ODlesi"Ig~nandrealizationoOfr-parame~trnicam．plifit

3、ierbasedOn⋯MEMSWANGHong．bo，ZHOUBin，CHENZhi—yong，ZHANGRong，ZHANGRui—xue(1．TsinghuaUniversity，Beijing100084，China；2．NavigationandControlTechnologyResearchInstitute，NorincoGroup，Beijing100089，China)Abstract：Effectofparametricamplificationisanonlinearvibrationamplificati

4、oneffect．ThiseffectcangreatlyincreasetheamplitudeofresonantsensorsuchasMEMSgyroscopeandaccelerometer，therebyimprovethedetectionsensitivityandsignal—to—noiseratiooftheresonantsensor．AMEMSresonatorwithparametricamplificationeffectisdesignedaccordingtotheoreticalanalysi

5、sandfiniteelementsimulation．TheresonatorisfabricatedwiththeSOGprocessingtechnologyandexperimentalresearchiscarriedoutunderthepressureof950Pa，andtherelationshipbetweenparametricexcitationvoltageandphaseandmagnificationtimesisderived．Experimentalresuhsshowthatthemeasur

6、edresultsofeffectofparametricamplificationcoincidewellwiththeoreticalanalysis，andwhentheparametricexcitationvoltageis5．7V，theparametricamplificationmultipleisover50times，structureamplitudeissignificantlyimproved，whichprovidesanewmetrodtoimprovepedbrmanceofMEMSinertia

7、lappearance．Keywords：parametricamplification；MEMS；resonator；inertialappearance0引言推导吻合，而此前的研究主要是理论性的，在宏观结构中只在MEMS器件中，尤其是MEMS惯性器件中，线性谐能验证参数振动的第一个不稳定区。随着MEMS技术振子作为最基本的结构形式广泛存在，比如：谐振式加速度的不断发展和基于MEMS的惯性器件的研究的不断深入，计是一个单自由度的谐振子，线振动式陀螺则包含了2个来自英国和美国的研究人员分别做了将参量放大效应应用自由度的谐振子，而

8、且在这些惯性器件中谐振子的性能直于陀螺的相关研究。其中，英国纽卡斯尔大学和大西接决定了整个加速度计或者陀螺仪的最终性能，因此，研究洋惯性系统公司的研究人员一起研究了环形振子的参量放如何提高谐振子的性能就至关重要。大效应以及其在环形陀螺中的应用。在环形振子中取得了