课题基金 / 基金详情

基于超谐同步共振的高精度MEMS微重力加速度传感器研究

批准号:
52075432
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
韦学勇
依托单位:
学科分类:
微纳及原子级制造
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
韦学勇

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
微重力测量对于航空航天、地质勘探以及军事应用等领域有着非常重要的现实意义。目前,传统的微重力测量设备体积庞大、价格昂贵无法满足我国航空航天技术和国民经济发展中对微重力测量的迫切需求,因此,开展高性能微重力加速度传感器的研究迫在眉睫。近期研究表明,基于微型机电系统技术的硅微谐振式加速度传感器在克服其自身在测量精度、稳定性等方面的不足后,有望用于微重力测量。在前期研究的基础上,本项目提出对硅微谐振敏感元件中的同步现象及其在谐振式微重力传感器中的应用进行系统研究,围绕硅微谐振敏感元件的拓扑结构、非线性因素和同步现象三者之间的相互影响规律及其与闭环振荡器性能之间的相关性等科学问题展开研究,旨在揭示硅微谐振敏感元件中产生同步共振现象的动力学规律及其作用机理,探索谐振式传感的新方法和新思路,研制高精度微重力加速度传感器,最终实现高精度的微重力加速度测量。
英文摘要
Microgravimetry plays a significant role in many fields, such as aerospace, geological exploration, military, etc. Due to their large size and expensive price, traditional microgravity measuring equipment can hardly meet the urgent needs of the industry. Therefore, it is very important to carry out the research of microgravity MEMS accelerometer with high accuracy and zero bias stability. In this project, a new sensitivity mechanism based on the synchronization phenomenon between micro-resonators is proposed and will be applied to improve the performance of accelerometers. On the one hand, interrelations among topology of resonators, nonlinear dynamics and synchronization will be studied; on the other hand, accelerometers based on the new sensing mechanism will be developed and applied to actual measurement.
项目针对MEMS谐振式传感器在小型化过程中,机电非线性限制信噪比提升,进而导致频率稳定性不足,测量精度受限的难题进行研究。本项目提出利用非线性同步共振效应,创新性地引入同步共振调控方法,解决了微重力传感器在频率稳定性、灵敏度、噪声抑制与集成化方面的技术瓶颈,研制出了基于同步效应的微重力加速度传感器样机,取得了重要的创新成果与实际应用突破。取得的研究成果如下:1. 非线性MEMS谐振器同步共振调控机制:项目建立了非线性MEMS谐振器的同步动力学模型,揭示了单向耦合谐振器中的高阶/超高阶同步现象以及同步过程中的相位演化规律,并设计出了单向以及互向同步的加速度传感器样机。实验验证表明,同步加速度计在检灵敏度及噪声性能方面明显优于传统传感器。2. 针对同步增强加速度传感器中存在的同步带宽较小的问题,本研究提出一种新型的频率自动跟踪系统,结合硅基谐振器的焦耳热效应和幅值-频率效应建立完整的算法体系对读取振荡器进行实时的频率补偿。基于 LabVIEW 平台和 FPGA 平台分别搭建了频率自动跟踪系统,通过优化系统控制参数,保证频率自动跟踪系统可以满足静态加速度和低频动态加速度的测量需求。3. 提出了低应力的微重力设计方案以及低应力的封装工艺,显著降低传感器的温度系数。基于精密温控系统,搭建了微重力加速度计样机,系统温度控制精度优于±0.0025℃,对加速度计样机进行了零偏不稳定性和噪声测试,传感器在1Hz 处的噪声水平约为92 ng/√Hz,零偏不稳定性为150ng左右,具备应用于长航时、高精度惯性导航及海空重力测量系统的潜力。本项目突破了非线性同步共振调控的关键科学问题,为高灵敏度微重力传感器的设计提供了新思路。项目成果可广泛应用于航天测控、地质探测、精密仪器等领域,具有重要的科学价值和工程应用意义。
多模耦合硅微谐振器中的非线性效应研究及其在振荡器中的应用
  • 批准号:
    51575439
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    韦学勇
  • 依托单位:
体声波模态微机械谐振子中的非线性效应及其应用研究
  • 批准号:
    51345014
  • 项目类别:
    专项基金项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    韦学勇
  • 依托单位:
国内基金
海外基金