一种基于谐振音叉的新型差动式硅微加速度计设计与分析.pdf

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1、第25卷第1期传感技术学报Vo1．25No．12012年1月CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSJan．2012DesignandAnalysisofaNovelDifferentialSi-BasedMicro．AccelerometerBasedonResonantForkFANShangchun，SUNMiaomiao，LICheng(Schoolofinstrumentscience&opto—electronicsengineering，BeihangUniversity，Beijing100191，China)Abstract

2、：Inordertoenhancethesensitivity，stabilityandtoreducethesizeoftheresonantaccelerometers，thispaperproposesanovelstructurefortheresonantSi—basedmicro—accelerometer．Inertialforceoftheproofmassisamplifiedandmeasuredbyaone-stagemicro-leveragemechanismandapairofdifferentialdouble·-ended-·tuning-

3、fork(DETF)resonatorsrespectively．FromthenaturalfrequencyshiftoftheDETF，theaccelerationcanbededuced．Bulk—micromachiningcanbeadoptedtomanufacturethisaccelerometer，andthecorrespondinggeneralmanufacturingprocessispresented．Analyticalandfiniteelementanalysis(FEA)methodsareappliedtooptimizethes

4、ensitivecomponentoftheaccelerometer；theanalyticalresultisingoodagreementwiththatobtainedbyFEAmethod，theFEAsensitivityoftheaccelerometeris57．4Hz／g．Resultsoftheanalysesshowthatthisproposedac—celerometerpossesseshighsensitivity，hightemperaturestabilityandsmallsize．Keywords：resonantmicro—acce

5、lerometer；double-ended—tuning-forkresonator；micromechanicalleveragemechanism；finiteelementanalysisEEACC：2575；7320Edoi：10．3969／j．issn．1004-1699．2012．01．004一种基于谐振音叉的新型差动式硅微加速度计设计与分析冰樊尚春，孙苗苗，李成(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191)摘要：为提高谐振式加速度计灵敏度、稳定性以及减小加速度计体积，本文提出一种结构新颖的谐振式硅微加速度计。采用一级微杠杆机构对质量块惯性力进

6、行放大，通过一对差动布置的双端固支音叉谐振器的固有频率变化检测惯性力，从而实现对加速度的测量。该加速度计可采用体硅加工工艺，给出了总体工艺流程。采用解析和有限元分析方法对加速度计敏感元件进行了分析，有限元分析结果与解析分析结果相吻合，有限元分析可得加速度计灵敏度为57．4Hz／g。分析结果表明该加速度计结构具有高灵敏度、高温度稳定性和小体积等优点。关键词：谐振式微加速度计；双端固支音叉谐振器；微杠杆结构；有限元仿真中图分类号：TN304．12文献标识码：A文章编号：1004—1699(2012)O1—0020—05谐振式硅微加速度计基于谐振子固有频率随加空航天大学任杰等设

7、计的硅微谐振式加速度计灵敏速度变化的机械特性实现对被测加速度的测量。与度为24．52Hz／gl3；北京大学微电子实验室报道的电容式和压电式微机械加速度计相比，谐振式微加速样品灵敏度为27Hz／g_4；重庆大学何高法设计的基度计具有准数字信号输出、大动态范围、高精度等优于两级柔性铰链机构的谐振式加速度计灵敏度为点⋯。因此，谐振式硅微加速度计已成为国内外相关55．03Hz／gl5]，南京理工大学设计的谐振式加速度领域的研究热点。国内谐振式硅微加速度计的研究计灵敏度为95Hz／gl6；中科院电子所陈建等提出一起步较晚、发展较缓慢．尚