【摘 要】
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硅微加速度计是一种典型的MEMS惯性器件,具有体积小、重量轻、低成本、功耗低、高可靠性、易于数字化、可满足恶劣应用环境等优点,在航空航天、组合导航、飞行器控制等领域有着广泛应用。但随着硅微加速度计结构尺寸的极大缩小,仪表的灵敏度和分辨率大大降低,而电容检测方式受寄生效应、机械结构噪声、电路噪声等的影响较大,已基本达到检测能力的极限,进一步大幅提高测量精度难度很大。本文正是以此为背景,开展隧道磁阻式
【基金项目】
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国家自然科学基金(61874025); 装备预研领域基金(6140517010316JW06001); 中央高校基本科研业务费专项资金资助(2242019k1G032);
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硅微加速度计是一种典型的MEMS惯性器件,具有体积小、重量轻、低成本、功耗低、高可靠性、易于数字化、可满足恶劣应用环境等优点,在航空航天、组合导航、飞行器控制等领域有着广泛应用。但随着硅微加速度计结构尺寸的极大缩小,仪表的灵敏度和分辨率大大降低,而电容检测方式受寄生效应、机械结构噪声、电路噪声等的影响较大,已基本达到检测能力的极限,进一步大幅提高测量精度难度很大。本文正是以此为背景,开展隧道磁阻式加速度计应用研究,包括:(1)隧道磁阻式加速度计基本理论分析首先介绍了隧道磁阻传感器的工作原理,并建立长方体永磁性薄膜的数学分析模型。其次分析了加速度-位移变换、位移-磁场变换、磁场-电压变换,论证了隧道磁阻式加速度计的开环检测的理论可行性。然后,引入差动电容力矩器,研究了隧道磁阻式加速度计力反馈闭环设计方案。(2)隧道磁阻式加速度计设计与分析首先提出了隧道磁阻式加速度计整体结构,分析了其工作原理。随后,建立中间层结构的微杆杠结构模型,分析了中间层结构扭转梁和U型梁的设计参数对其位移灵敏度的影响。最后,研究了隧道磁阻式加速度计闭环测控系统,验证了隧道磁阻式加速度闭环控制和闭环检测的可行性。(3)隧道磁阻式加速度计仿真分析利用有限元分析软件ANSYS Workbench进行隧道磁阻式加速度计中间层结构仿真分析,包括模态仿真、加速度-位移仿真、热应力仿真和瞬态冲击仿真等。随后,分别在不同安装间隙和不同磁片尺寸时,进行了隧道磁阻式加速度计的磁场灵敏度仿真与理论分析。通过对传感器整体结构和磁场特性的仿真,验证了隧道磁阻式加速度计的可行性和理论正确性。(4)隧道磁阻式加速度计制作与测试介绍了DDSOG加工工艺以及隧道磁阻式加速度计微组装流程。随后,制作了隧道磁阻式加速度计测控电路,对传感器的性能进行测试。实验结果表明,隧道磁阻式加速度计能够实现对加速度信号的线性检测,标度因数可达18.14 m V/g;隧道磁阻式加速度计的频谱噪声为86.2 ug/Hz0.5,偏置稳定性为482 ug。实验结果表明本文所设计的隧道磁阻式加速度计是成功的,能够较好地实现对加速度的检测功能。
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