基于MEMS工艺的高性能石英加速度计谐振结构特征研究

With the development of the inertial technology and its new tendency, low complexity, low cost, high accuracy and high anti-interference have been needed by the inertia component. Avoiding bonded techniques of traditional quartz flexible accelerometer，quartz vibrating beam accelerometer will be studied which belongs to a kind of micromechanical inertial instrument. Vibrating Beam Accelerometer is virtually a solid state accelerometer with an inherent digital output, which utilizes piezoelectric quartz as the basic material of sensing elements. Domestic and foreign structure analysis discovers that its sensitive girder has energy loss or shielding system is large. It affects the accelerometer measuring accuracy and the volume. In order to obtain the high Q factor and the high grade resonance characteristic, the structure, characteristics and operation principle of the quartz vibrating beam accelerometer will be analyzed. Essential structure mechanics model will be established and influence resonance performance characteristic parameter will be determined. Based on the research mentality of structure energy, one kind surpasses the double beam's new push-pull structure will be proposed. In view of the structure and the craft most superior match, proposes the low cost, miniaturized and the high efficiency monolithic body structure design method. And the electromechanical coupling modal of quartz vibrating beam accelerometer is established. These will be advantageous in realize the most superior structure disposition. This project provides one new research technique to enhance accelerometer's actual performance. It also enhances our country new accelerometer technology, especially in astronautics aviation and the military hardware domain application, which has important fundamental research significance and practical application prospect.

围绕目前惯导系统对加速度计性能的要求：体积小、成本低、精度高和可靠性极高，本项目研究以振动学、惯性技术与MEMS工艺技术为基础的基于谐振原理设计的石英加速度计，它是把力敏感振动石英梁作为敏感元件并能直接数字输出。为获得高Q因数的高质量谐振特性，采用理论分析和有限元仿真研究其振动梁的变形和应力，在此基础上对石英加速度计进行静、动态试验，研究谐振机理，建立多物理场耦合条件下的关键结构分析模型，确定影响谐振性能的特征参量，提出减小结构能量损耗和隔离系统的方法，以提高加速度计测量精度。另一方面，在MEMS工艺基础上，结合振动学、压电学理论和有限元优化方法，对关键结构参数进行深入研究，建立优化设计规则，实现低成本、小型化和高效能的一体化设计。本项目为提高加速度计的实际性能提供了一种新方法，对提高我国新型加速度计技术、尤其在航天航空和军事武器领域的应用，具有重要的理论研究意义和实际应用前景。

随着科学技术的发展，惯导系统对加速度计性能的要求也日益提高，要求加速度计具有体积小、成本低、精度高和可靠性极高。石英振梁加速度计正明显地满足了这些要求，因此它在惯导领域具有广阔的应用前景。.本项目研究以振动惯性技术与MEMS工艺技术为基础的基于谐振原理设计的石英加速度计，它是把力敏感振动石英梁作为敏感元件并能直接数字输出。根据振动力学原理，推导了谐振器振动的微分方程，并给出了它的通解和轴向力作用下的频率表达式。分析结构的电抗–频率特性，优化了结构尺寸，获得了高Q因数的高质量谐振特性。.结合模态分析理论和振动力学理论得到压电石英晶体双端固定梁的弯曲振动微分方程，导出了石英谐振器沿宽度方向弯曲振动的固有频率和振型的计算公式，并得到归一化后的振型图。基于弹性动力学和Hamilton原理，推导出压电石英的拉格朗日方程，再根据有限元分析的标准步骤，推导出压电石英晶体的有限元一般公式，建立了石英振梁加速度计单片一体结构的机–电耦合模型。借助有限元数值分析软件解算，发现了结构的工作模态与非工作模态的性能相差很大。所进行的模态分析、机电耦合分析和谐响应分析，揭示了高精度振梁加速度计结构的静、动态性能。.用模态分析理论和有限元软件工具，构建结构隐式约束函数，给出了生成分析文件、定义优化变量以及设置与优化的具体步骤，揭示了各设计变量的变化规律及影响。经结构优化后的石英振梁加速度计中的单个摆片的标度因数从52Hz/g提高到64.05Hz/g，提高了23%，这为提高加速度计的性能起着重要作用。.建立优化设计的理论和规范，实现低成本、小型化和高效能的一体设计。对石英振梁加速度计进行了八点法测试、性能稳定性测试、重复性测试和温度测试等，标定结果显示经结构优化后的石英振梁加速度计的精度得到了有效提高。本项目为提高加速度计的实际性能提供了一种新的方法，对提高我国新型加速度计技术、尤其在航天航空和军事武器领域的应用，具有重要的理论研究意义和实际应用前景。