Разработка микромеханических акселерометров и анализ динамики чувствительных элементов при вибрационных и ударных воздействиях

• Автор: Федоров, Максим Вячеславович
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 189 с. : ил.

Содержание

Введение
1 Конструктивные схемы, дифференциальные уравнения движения и технология изготовления чувствительных элементов микромеханических акселерометров
1.1 Общая характеристика конструкций микромеханических акселерометров
1.2 Микромеханические акселерометры с поступательным движением чувствительного элемента
1.3 Микромеханические акселерометры с вращательным движением чувствительного элемента
1.4 Технология изготовления МЭМС структур
1.5 Выводы
2 Анализ динамики чувствительного элемента маятникового микромеханического акселерометра при вибрационных воздействиях
2.1 Амплитудно-частотные характеристики чувствительного элемента маятникового ММА и их зависимость от
параметра затухания
2.2 Постоянное смещение чувствительного элемента маятникового ММА при действии вибрационного воздействия
и его зависимость от параметра затухания
2.3 Анализ динамики чувствительного элемента
маятникового ММА при прохождении через резонанс
2.4 Выводы

3 Анализ динамики чувствительного элемента осевого микромеханического акселерометра при вибрационных воздействиях
3.1 Амплитудно-частотные характеристики чувствительного элемента осевого ММА и их зависимость от параметра затухания
3.2 Постоянное смещение чувствительного элемента осевого ММА при действии вибрационного воздействия
и его зависимость от параметра затухания
3.3 Анализ динамики чувствительного элемента осевого ММА
при прохождении через резонанс
3.4 Выводы
4 Конечно-элементный анализ чувствительных элементов маятникового и осевого микромеханических акселерометров
4.1 Метод конечных элементов
4.2 Собственные частоты и АЧХ чувствительных элементов маятникового и осевого ММА
4.3 Анализ влияния температурных факторов на динамические характеристики чувствительных элементов маятникового
и осевого ММА
4.4 Анализ влияния вибрационных воздействий на чувствительные элементы маятникового и осевого ММА
4.5 Анализ влияния ударных воздействий на чувствительные элементы маятникового и осевого ММА
4.6 Анализ влияния ориентации кремниевой структуры
на технические характеристики ММА
4.7 Сравнение результатов аналитического метода и метода конечных элементов. Исследование экспериментальных образцов
4.8 Выводы
Заключение
Библиографический список

Введение
Актуальность темы. Микромеханические акселерометры (ММА) - перспективные приборы современной микросистемной техники, интенсивно и динамично развивающегося научно-технического направления [1, 7, 17, 34, 35, 51, 56, 61, 62, 63, 64, 65, 24]. Создание ММА ознаменовало революционный процесс в современной инерциальной технологии [24]. Микромеханические акселерометры характеризуются уникально малыми массой и габаритами, низким потреблениям электроэнергии, возможностью функционирования в жестких условиях эксплуатации и на несколько порядков меньшей стоимостью, чем их традиционные аналоги. Область применения ММА чрезвычайно широка. ММА используются в малогабаритных системах ориентации и навигации невысокой стоимости для судов, летательных аппаратов различного назначения, автомобилях, скважных приборах, системах управления ар-тиллеристскими снарядами. ММА относятся к сложным объектам микросистемой техники, представляющий собой неразделимый комплекс механической и электронной частей системы. Области применения акселерометров определяются их основными параметрами, а также их соотношением. Важнейшими параметрами акселерометра являются диапазон измерений ускорений, порог чувствительности, коэффициент преобразования, амплитудно-частотные характеристики, статические и динамические погрешности акселерометра.
ММА относятся к датчикам линейного ускорения низкого класса точности. В настоящее время, когда решены основные вопросы принципов построения, конструирования и технологии изготовления ММА, созданы экспериментальные образцы ММА [56, 57, 58, 65], освоен серийный выпуск ММА рядом зарубежных фирм [3, 90, 91, 95, 101] на первый план выступает проблема повышения метрологических и эксплуатационных характеристик приборов этого типа и создания ММА навигационного класса точности (статические погрешности - случайная составляющая нулевого сигнала (а) ~
0.011(Г3£ , нестабильность масштабного коэффициента (а) ~ 0.1%). Решение
Продолжение таблицы
Параметр Значение
Коэффициент демпфирования, jux, — с 1.24-10“4
Коэффициент демпфирования, /лу, — у с 0.0028
Коэффициент демпфирования, д., — с 5.6 10“4
1.3 Микромеханические акселерометры с вращательным движением чувствительного элемента.
К ММА с вращательными движениями ЧЭ относятся маятниковые ММА. Конструктивная схема ЧЭ маятникового ММА представлена на рисунок 1.3 [13, 65]. ЧЭ ММА маятникового типа представляет собой инерционную массу 1, подвешенную на упругих торсионах 2 в корпусе прибора со смещением центра масс пластины от оси торсиона. ЧЭ изготавливается из монокристаллического кремния групповыми методами современной технологии микромеханики (по технологии «кремний на изоляторе»). Ось чувствительности ЧЭ маятникового ММА направлена перпендикулярно плоскости пластины. При действии ускорения относительно измерительной оси инерционная масса отклоняется под действием сил инерции, величина этого отклонения при идеальном изготовлении конструкции прибора пропорциональна измеряемому линейному ускорению. Съем сигналов производится по дифференциальной схеме с помощью емкостного датчика перемещений 3. Одним из электродов емкостного датчика является проводящая пластина, а вторым - металлический слой, напыленный на изолирующее основание прибора.
Приведем систему дифференциальных уравнений движения ЧЭ ММА маятникового типа, установленного на подвижном основании. С основанием