[发明专利]一种硅微谐振式加速度计非线性振动确定方法

说明书

本发明公开了一种硅微谐振式加速度计非线性振动确定方法，步骤：(1)建立硅微谐振式加速度计的谐振梁非线性振动模型；(2)硅微谐振式加速度计非线性振动的不确定分析；(3)硅微谐振式加速度计输入参数对非线性振动的影响。忽略梳齿的转动惯量，简化梳齿为质点，建立带梳齿结构的谐振器非线性振动模型；建立样本随机模型，对输入参数进行随机收敛分析得到最小样本数，将确定的输入参数代入谐振梁非线性振动模型得到对应的输出参数；根据输出参数四分位差随输入参数方差系数的变化，分析输入参数对非线性振动的影响。本发明克服由于输入和输出参数的不确定性，无法分析其对非线性振动的影响程度问题。

技术领域

本发明属于惯性技术领域，涉及一种硅微谐振式加速度计，特别涉及一种硅微谐振式加速度计非线性振动确定方法，适用于谐振器结构参数设计以及非线性振动分析等。

背景技术

硅微谐振式加速度计是利用谐振原理直接检测谐振器的谐振频率变化检测加速度。由于硅微谐振式加速度计的谐振器尺寸微小，对加工精度有着极高的要求，细微的加工误差会使谐振梁非线性振动更加明显，从而使传感器的测量精度降低，严重时甚至会造成传感器不能正常工作。现阶段关于改善硅微谐振式加速度计非线性振动的方法并不多，大多从机械耦合、温度特性、工艺材料和封装这几个方面入手。本发明提出了一种利用不确定方法确定硅微谐振式加速度计非线性振动的方法，不确定方法最先于1987年应用于板桩围堰设计，而后Padmanabhan和Pitchumani应用随机模型研究了非等温填充过程和填充材料的不确定性对填充过程的影响。经过模型的改进，Hanawa和Mawardi采用基于采样的随机模型研究了光纤拉伸过程中的不确定性对折射率、残余应力、最大张力和缺陷浓度变异性的影响。到目前为止，随机模型已在工艺系统安全评估、树脂模塑、热熔基复合材料、质子交换膜(PEM)燃料电池、活体生物组织激光热损伤、测量流量脉动等方面得到了成功的应用。

在传感器的应用方面，2015年史慧超等在期刊《Sensors and Actuators》上发表的文章 Nonlinear dynamics study based on uncertainty analysis inelectrothermal excited mems resonant sensor中运用不确定分析方法对电热激励的MEMS谐振式压力传感器做非线性分析，发现直流激励电压对硅微谐振式压力传感器非线性动力学的重要影响。但由于硅微谐振式加速度计的谐振器为梳齿结构的双端固支音叉，比膜片式结构更为复杂，针对梳齿驱动的硅微谐振式加速度计振动带来的非线性还无法确定。

随后他又在期刊《Microsystem Technologies》上发表的文章Design andoptimization of detf resonator based on uncertainty analysis in a micro-accelerometer中运用不确定方法分析了结构参数对硅微谐振式加速度计灵敏度和固有频率的影响，但并未进一步探究结构参数带来的振动非线性。本发明给出了一种确定谐振器的尺寸参数和单个梳齿质量对硅微谐振式加速度计振动非线性的方法，并进一步确定四个输入参数中对谐振器非线性振动影响较大者。因此本发明一种硅微谐振式加速度计非线性振动确定方法将成为提高硅微谐振式加速度计性能的有力工具，将为硅微谐振式加速度计的应用带来非常广阔的前景，也会对惯性导航领域的技术发展做出突出的贡献。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服由于输入和输出参数的不确定性，无法分析输入参数对硅微谐振式加速度计非线性振动影响程度的问题，提出一种硅微谐振式加速度计非线性振动确定方法，建立了硅微谐振式加速度计的谐振梁非线性振动模型和样本随机模型，结合统计学理论，确定硅微谐振式加速度计的结构参数和单个梳齿质量对非线性振动的影响，大大提高了传感器的性能。