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压电式加速度计是利用压电材料作为敏感元件,把惯性力转换成机械形变继而转换为电信号的仪器。四臂压电式加速度计相比较传统的单臂和双臂压电式加速度计而言,以灵敏度高、稳定性好、噪声低、检测技术简单以及没有能量损耗等优点得到了人们越来越多的关注。
本文介绍了加速度计的分类、压电材料的基本概念、压电式加速度计的国内外现状以及利用ANSYS软件分析的一般步骤,使用了ANSYS软件对四臂压电式加速度计进行了详细静态和动态的模拟仿真。在静态分析中,研究了加速度计的悬臂厚度、悬臂长度、压电层厚度等结构参数对加速度计灵敏度的影响,发现灵敏度随着加速计悬臂厚度的减小、长度的增加而降低,在悬臂厚度、长度等结构参数固定的情况下,发现灵敏度随着压电层厚度的变化有个最优值。在加速度计的动态分析中,得出了加速度的前五阶固有频率,以及对应于每阶固有频率的振动形态。
除此之外,本文还对四臂压电式加速度计进行了改进,使用凸凹式的基体表面结构代替平坦结构。利用ANSYS对这种凸凹基体表面的加速度计进行模拟仿真发现,使用这种结构的加速度计的灵敏度可以高达0.6335 mV/g,远高于平坦基体表面加速度计的0.28195mV/g。但是,使用这种结构会使加速度计的固有频率有所降低,但是这种降低的幅度是很小的,只有3%左右,所以采用这种结构是有一定的应用参考价值的。
在制备工艺方面,本文简单介绍了MEMS加工工艺以及详细叙述了加速度计制备所需的光刻、刻蚀、溅射等工艺。本文分别介绍了平坦基体表面加速度计和凸凹基体表面加速度计的工艺流程,给出了各个光刻所需的掩膜版图样以及具体每个加工环节所需的参数(参考附一、附录二)。对于凸凹基体表面的加速度计,由于其结构特殊,使用传统的体微加工很难制备,本文使用表面微加工技术,采用牺牲层的方法,可以解决这种问题。另外,本文还使用界面结构图的方法对加工流程进行了详细的介绍。本文在工艺流程方面的分析,可以为今后类似的微硅结构加工的研究提供有价值的参考。
本文对四臂压电式加速度计进行了静态和动态的分析,得出了结构参数对加速度计性能的影响;改进了加速度计的结构,并且对其进行仿真分析,验证了新结构对加速度计的影响;研究了加速度计的制备工艺,使用表面微加工工艺来实现特殊的加速度计结构。本文为以后加速度计的优化以及复杂加速度计的制备提供了有力的参考依据。