抗高过载加速度计微结构的设计与分析.pdf

哈尔滨 不 业大学工程硕士学位论文 摘 要 本文研制了一种抗高过载、微机械加速度计，可满足各种具有发射初始 加速度极高、并需要对其飞行过程控制的武器中抗过载传感器的需求该传 感器在军民等领域具有非常重要的应用价值 本文研究了一种压阻式双端固支梁结构的高过载加速度计微结构的设计 方法根据计算机有限元仿真结果对微机械结构参数进行了优化设计在 此基础上完成了抗高过载加速度计的设计、制作和测试，并对测试和模拟仿 真结果进行了分析 本文分析了双端固支梁加速度计的微机械结构与传感器的灵敏度、固有 频率、非线性等参量的影响关系设计了一种具有应力集中特点的凹形截面 的双端固支梁结构，该结构与常用的矩形截面梁相比，在敏感方向抗弯刚度 减弱， 在非敏感方向抗弯刚度增强 另外设计了具有通孔的薄梁微机械结构， 使得传感器的灵敏度及固有频率得以改善 该微结构具有抗高载、 灵敏度高、 频响宽、易实现量程系列化等特点本文通过有限元仿真模拟，对微结构进 行了优化设计 本文还在加速度传感器力学原理和流体力学基础上，对微结构的气体阻 尼及动态特性进行了研究，建立了质量块和盖板间压膜气体模型，确定了影 响气体阻尼的结构参数，并给出了有关微结构的阻尼优化设计。

对设计的微结构，利用标准I C 工艺及反应离子刻蚀技术制作出了抗高过 载加速度计，并对样品进行了测试测试结果表明，该加速度计能够承受 2 0 0 0 0 g 值冲击，在士 5 0 g 的量程内非线性达到0 . 5 %，灵敏度为0 . 8 m V / g ，工作 频率范围为0 - - 6 0 0 H z ， 满足研制目 标的要求 另外， 对实验数据与计算机模 拟结果进行了分析，结果表明，如果计入工艺误差的影响，实验数据与计 - 算机模拟结果相符，进而验证了计算机模拟的准确性 关键词加速度计:压阻式;双端固支梁;气体阻尼 - I - 哈尔滨 r 业大学工程硕」 : 学位论文 Ab s t r a c t A m i c r o m e c h a n i c a l a n t i h i g h o v e r - l o a d a c c e l e r a t e r i s s t u d i e d i n t h i s t h e s i s , w h i c h c a n me e t t h e w e a p o n s ' n e e d t h a t h a v e v e ry h i g h o f f s e t a c c e l e r a t i o n a n d t h e r e q u i r m e n t f o r t h e a n t i - o v e r l o a d i n fl y i n g p r o c e s s c o n t r o l l i n g . S o w e c a n s a y , t h e h i g h o v e r - l o a d a c c e l e r o m e t e r h a s a v e r y i m p o rt a n t v a l u e i n m i l i t a r y a n d c i v i l f i e l d s A d e s i g n m e t h o d t o a m i c r o m e c h a n i c a l a c c e l e r o m e t e r w i t h p i e z o - r e s i s t i v e t w o - e n d s f i x e d s t r u c t u r e a n d a n t i h i g h o v e r - l o a d a b i l i t y i s s t u d i e d i n t h i s t h e s i s . T h e p a r a m e t e r s a r e o p t i m i z e d t h r o u g h t h e c o m p u t e r s i m u l a t i o n . A c c o d i n g t o t h e r e s u l t , t h e d e s i g n , f a b r i c a t i o n a n d t e s t i n g o f t h e a n t i - h i g h o v e r l o a d a c c e l e r o m e t e r a r e c o m p l e t e d . F u r t h e r m o r e , a c o m p a r i s o n b e t w e e n t h e e x p e r i m e n t a n d s i mu l a t i o n i s d o n e . I n t h i s a rt i c l e , t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e m i c r o m e c h a n i c s t r u c t u r e o f t h e t w o - e n d s f i x e d a c c e l e r o m e t e r a n d t h e s e n s o r ' s p a r a m e t e r s , s u c h a s s e n s i t i v i t y , i n t r i n s i c f r e q u e n c y , a n d n o n l i n e a r i t y , i s d i s c u s s e d . A k i n d o f s t r u c t u r e w i t h t h e c a v e f o r m s e c t i o n , t w o - e n d s f i x e d b e a ms a n d t h e c o n c e n t r a t i n g s t r a i n i s d e s i g n e d . C o m p a r e d t o t h e c o n v e n t i o n a l r e c t a n g u l a r c r o s s s e c t i o n b e a ms , t h i s s t r u c t u r e h a s a r e d u c i n g a n t i - b e n d i n g r i g i d i t y a l o n g t h e s e n s i t i v e d i r e c t i o n , a n d t h e i n c r e a s i n g a n t i - b e n d i n g r i g i d i t y a l o n g t h e n o n - s e n s i t i v e d i r e c t i o n . S o m e h o l e s a r e a d d e d t o t h e t h i n b e a m s , s o a s t o i m p r o v e t h e s e n s i t i v i t y a n d i n t r i n s i c f r e q u e n c y . T h e m i c r o s t r u c t u r e i s c o m b i n e d w i t h t h e a d v a n t a g e s s u c h a s a n t i h i g h o v e r - l o a d a b i l i t y , h i g h s e n s i t i v i t y , b i g b a n d w i d t h o f f r e q u e n c y r e s p o n d s , a n d e a s i l y t o r e a l i z e t h e s e r i e s o f t h e o p e r a t i o n r a n g e . U n d e r t h e g u i d e o f t h e F i n i t e - E l e m e n t a n a l y s i s a n d s i m u l a t i o n , a n o p t i m a l d e s i g n o f t h e m i c r o s t r u c t u r e i s p r e s e n t e d . I n t h i s a r t i c l e , t h e m e c h a n i c s a n d t h e fl o w - m e c h a n i c s a r e u s e d , t h e a i r - d a mp i n g o f t h e m i c r o s t r u c t u r e a n d d y n a mi c c h a r a c t e r s a r e r e s e a r c h e d , t h e s q u e e z i n g a i r f i l m m o d e l b e t w e e n t h e m a s s b u l k a n d c o v e r p l a t e a r e e s t a b l i s h e d , a n d t h e d a m p i n g o p t i m a l d e s i g n a b o u t t h e m i c r o s t r u c t u r e i s g i v e n . B y u s i n g t h e s t a n d a r d I C p r o c e s s a n d D R I E t e c h n i q u e , t h e a n t i - h i g h o v e r l o a d a c c e l e r o m e t e r i s r e a l i z e d . T h e s a m p l e p i e c e i s t e s t e d , a n d t h e d e s i g n i s v e r i f i e d a l s o . F r o m t h e t e s t i n g r e s u l t , i t i s s h o w n t h a t t h e a c c e l e r a t e r c a n b e a r _ t ] _ 哈尔滨工业大学工程硕寸 一 学位论文 2 0 0 0 0 g s t r i k i n g , i n t h e士 5 0 g m e a s u r e m e n t s c a l e , t h e n o n l i n e a r i t y r e a c h i n g t o 0 . 5 %, s e n s i v i t y r e a c h i n g 0 . 8 m V / g , a n d t h e o p e r a t i o n f r e q u e n c e r a n g e i s 0 一 6 0 0 H z . T h e r e s e a r c h r e q u i r e m e n t i s a c h i e v e d . B y a n a l y s i s i n g t h e t e s t i n g 。