SRA硅微谐振式加速度计非线性振动特性研究(3)
1 1 1 1 ． ． ． ． 2 2 2 2 研究目的和意义 研究目的和意义 研究目的和意义 研究目的和意义
SRA 的基本原理是利用谐振梁的力 - 频特性 ， 通过检测 谐振梁 谐振频率 的改变 量获
取输入惯性力 ( 即 加速度 ) 的 大小。因其具有尺寸小、功耗低、稳定性好、精度高 、 测
量范围广、易驱动控制等优势，加之其输出信号为频率信号，是一种准数字信号 ， 它
不易受到环境噪声的干扰， 易于检测，同时 在传输和处理 过程 中也不易出现误差 。 因
此， SRA 更 易于 达到 高精度测量 的要求 。
K.E.Petersen 已在 1982 年发表的重要文献 [6]
中提到，由于单晶硅良好的机械特
性 ， 比传统石英材料更适合成为高性能传感器的载体 。 与传统石英谐振式传感器相比 ，
SRA 具有以下优点 [7]
： 1 ）杂质浓度极低，弹性结构好， 2 ）隔离附加器件压力的效果
好， 3 ）静电驱动和检测设计灵活性更大。硅微谐振式加速度计的上述特点，决定了
其具有良好的发展前景。
但是 通过 SRA 的实验表明 ， 目前 研究 存在的主要问题 有 ：
1) 非线性。 SRA 的输出频率随着驱动电压的改变呈现非线性变化的现象，从而影本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 39 页
响了 SRA 的稳定性，需要对其非线性进行研究。
2) 温度误差。 SRA 谐振频率随温度变化表现出明显的漂移现象，需要对其温度效
应进行研究。
3) 加工工艺。受制于加工工艺的影响， SRA 都存在一定的加工误差并且导致了的
性能不一致性问题。
上述问题都是影响 SRA 批量生产的阻碍因素，所以从这些方面入手研究 SRA 都
有助于加速其发展 , 具有长远的实际意义。
1 1 1 1 ． ． ． ． 3 3 3 3 本论文的研究内容 本论文的研究内容 本论文的研究内容 本论文的研究内容
本论文主要针对一种典型的硅微谐振式加速度传感器结构建立其动力学模型 ， 分
析其动力学特性 ，围绕 SRA 谐振器的非线性振动特性和微杠杆结构的力学建模 , 进行
了以下研究 :
(1) 建立 SRA 的 谐振 梁振动 的力学模型 , 推导谐振梁的固有振动及自然频率。
(2) 开展 谐振器非线性振动特性 的研究 ， 推导 建立谐振器结构参数与非线性振动
特征的关系 。
(3) 完成了 微杠杆放大机构 等效刚度的理论公式推导 , 通过理论分析和仿真确定
了谐振梁的非线性系数，并分析讨论 支撑系统对硅微谐振式加速度计性能的影响机
理 。
(4) 通过设计 完成谐振式加速度计非线性振动特性实验 ， 验证 谐振梁非线性振动
的 理论模型。
2 2 2 2 硅微谐振式加速度计的基本理论 硅微谐振式加速度计的基本理论 硅微谐振式加速度计的基本理论 硅微谐振式加速度计的基本理论
2 2 2 2 ． ． ． ． 1 1 1 1 硅微谐振加速度计的工作原理 硅微谐振加速度计的工作原理 硅微谐振加速度计的工作原理 硅微谐振加速度计的工作原理
SRA 的 基本工作原理是利用 谐振梁 横向 振动 的力频特性 ， 通过检测谐振频率变化
量获取输入的加速度大小。
SRA 主要由谐振器及梳齿结构、微杠杆 机构 ( 起到惯性力的 放大 作用 )[ 8 ]、 敏感 质
量块 ( M ) 以及 支撑结构等部分组成 ， 其结构示意图如图 2.1 所示 。 质量块在加速度作用
下产生惯性力 ( M a ) ， 该 惯性 力经微杠杆 机构 放大 A 倍后传递到谐振梁上 ， 使得谐振梁
的 谐振 频率发生 改变 ， 通过检测谐振频率变化量即可得到 所测的 加速度值 。 为降低干
扰，提高测量精 确 度，谐振器结构采用两个对称分布的 近似双端固定的 音叉 （ The
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