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单片集成三轴微加速度计关键技术研究

作　者: 牛正一
导　师: 吴学忠
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 机械工程
关键词: 三轴微加速度计倾斜悬臂梁湿法腐蚀电容检测
分类号: TH824.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 101次
引　用: 1次
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内容摘要

三轴微加速度计是惯导系统的重要组成部分,在武器装备、惯性导航和汽车安全等领域得到越来越广泛的应用。国内研制的微加速度计主要为梳状结构,采用干法刻蚀技术加工,确保加工精度和工艺一致性的难度较大。本文设计了一种采用各向异性湿法腐蚀技术加工的单片集成三轴微加速度计,该加速度计具有灵敏度较高、工艺简单等特点。本文主要围绕三轴微加速度计的工作原理、结构设计、制作工艺、误差机理和性能测试开展研究,主要内容如下:1.设计了单片集成三轴微加速度计的整体结构,并对其结构设计理论进行了系统研究,其中包括倾斜悬臂梁力学特性分析,工作模态频率理论分析等方面。根据结构设计理论和加工工艺条件,设计了加速度计的结构尺寸,并进行了理论分析和有限元仿真。2.设计了单片集成三轴微加速度计的加工工艺流程,对工艺中的关键问题进行了研究并提出了解决方案,制作了微加速度计样片。3.研究了单片集成三轴微加速度计的模态和信号测试方法,搭建了模态测试系统,制作了信号检测电路,完成了对加速度计模态和信号的检测。测试结果为:加速度计的四个质量块一阶模态频率分别为:1.910KHz、1.930KHz、2.037KHz和1.937KHz ,具备了加速度检测能力。4.分析了单片集成三轴微加速度计制作工艺和检测算法的误差来源,针对加工误差提出了控制方法。对微加速度计进行了阻尼分析与设计,提出了结构的改进方案。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章绪论  11-17
  1.1 课题研究背景与意义  11-12
    1.1.1 研究背景  11
    1.1.2 研究意义  11-12
  1.2 三轴微加速度计的研究现状与趋势  12-15
    1.2.1 三轴微加速度计的国外研究现状  12-15
    1.2.2 三轴微加速度计的国内研究现状  15
    1.2.3 微加速度计的发展趋势  15
  1.3 论文主要研究内容  15-17
第二章单片集成三轴微加速度计的结构设计  17-30
  2.1 单片集成三轴微加速度计总体结构与工作原理  17-20
    2.1.1 总体结构设计  17-18
    2.1.2 基本工作原理  18-20
  2.2 加速度计灵敏度与模态的理论分析  20-26
    2.2.1 加速度计的性能指标  20
    2.2.2 单片集成三轴微加速度计的灵敏度分析  20-25
    2.2.3 加速度计的模态频率分析  25-26
  2.3 加速度计结构尺寸的确定与性能分析  26-29
    2.3.1 加速度计结构尺寸的确定  26-27
    2.3.2 加速度计性能的理论与仿真分析  27-29
  2.4 本章小结  29-30
第三章单片集成三轴微加速度计的制作工艺研究  30-41
  3.1 主要工艺流程  30-33
    3.1.1 硅结构加工工艺  30-32
    3.1.2 玻璃基板加工工艺  32-33
    3.1.3 加速度计的键合封装  33
  3.2 工艺的关键问题与解决方案  33-39
    3.2.1 湿法腐蚀工艺参数的确定  33-34
    3.2.2 凸角补偿  34-39
  3.3 加速度计样片与结构参数  39-40
  3.4 本章小结  40-41
第四章单片集成三轴微加速度计的测试  41-50
  4.1 微加速度计的模态测试  41-43
    4.1.1 模态测试方法  41-42
    4.1.2 模态测试系统  42-43
    4.1.3 模态测试结果与分析  43
  4.2 微加速度计的信号检测  43-49
    4.2.1 基于AD7745 的电容检测电路设计  44-45
    4.2.2 基于 VC++ 的上位机设计  45-46
    4.2.3 信号测试系统  46-47
    4.2.4 信号测试结果与分析  47-49
  4.3 本章小结  49-50
第五章单片集成三轴微加速度计的误差分析与改进设计  50-59
  5.1 加工误差与控制方法  50-53
    5.1.1 双面光刻对准误差与控制方法  50
    5.1.2 湿法腐蚀制造误差与控制方法  50-51
    5.1.3 玻璃基板制造误差与控制方法  51-53
  5.2 算法的误差分析  53-54
  5.3 阻尼分析与设计  54-58
    5.3.1 滑膜阻尼  55
    5.3.2 压膜阻尼  55-56
    5.3.3 加速度计的阻尼分析与设计  56-58
  5.4 本章小结  58-59
第六章总结与展望  59-61
  6.1 全文总结  59
  6.2 工作展望  59-61
致谢  61-62
参考文献  62-66
作者在学期间取得的学术成果  66

单片集成三轴微加速度计关键技术研究

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