MEMS高g值加速度计设计技术研究
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摘要
本论文简要地介绍了钻地武器的国内外发展现状及其在国防建设中的重要作用，同时阐述了自适应引信的优点和发展趋势。
论文以钻地武器为背景，采用MEMS工艺技术设计一种耐50000g以上的、量程在1000～50000g基于MEMS工艺的高g值加速度计。本文运用有限元软件ANSYS对该加速度计的结构进行了应力分析和模态分析，仿真验证了在50000g的冲击环境下加速度计的应力、最大位移、模态响应，确保该加速度计在大冲击环境下安全可靠并能准确工作。除了采用有限元分析外，还采用矩阵方法对该结构各方面进行了分析，此方法对优化工程设计十分有用。
The development status quo of EPW (earth penetrating weapon) and the importance in the national defence construction is introduced briefly. The advantage and development trend of self-adapting fuze are also mentioned.
Under the background of EPW, a high-g accelerometer with MEMS technique, which can measure from 1000g to 50000g and stand over 50000g impact, is designed. With the finite element analysis (FEA) software ANSYS, we have performed the stress analysis and mode analysis of the accelerometer structure, confirming stress force, max displacement, mode response of the accelerometer in the 50000g impacting environment, and ensuring the accelerometer to be secure, responsible and to work precisely.
Besides the FEA method, the accelerometer has been analyzed entirely with the matrix method, which is useful to optimize the engineering design.
论文以钻地武器为背景，采用MEMS工艺技术设计一种耐50000g以上的、量程在1000～50000g基于MEMS工艺的高g值加速度计。本文运用有限元软件ANSYS对该加速度计的结构进行了应力分析和模态分析，仿真验证了在50000g的冲击环境下加速度计的应力、最大位移、模态响应，确保该加速度计在大冲击环境下安全可靠并能准确工作。除了采用有限元分析外，还采用矩阵方法对该结构各方面进行了分析，此方法对优化工程设计十分有用。
The development status quo of EPW (earth penetrating weapon) and the importance in the national defence construction is introduced briefly. The advantage and development trend of self-adapting fuze are also mentioned.
Under the background of EPW, a high-g accelerometer with MEMS technique, which can measure from 1000g to 50000g and stand over 50000g impact, is designed. With the finite element analysis (FEA) software ANSYS, we have performed the stress analysis and mode analysis of the accelerometer structure, confirming stress force, max displacement, mode response of the accelerometer in the 50000g impacting environment, and ensuring the accelerometer to be secure, responsible and to work precisely.
Besides the FEA method, the accelerometer has been analyzed entirely with the matrix method, which is useful to optimize the engineering design.
引文
1 Brady R. Davies, Stephen Montague, SAND 98-0510,High-G Accerlerometer for Earth-Penetrator Weapons Applications LDRD Final Report.SAND 98-0510.
2 Brady R. Davies, et al. Micromachined Accelerometer Design, Modeling and Validation, SAND 98-0868C.
3 Brady R. Davies, et al. High G MEMS Integrated Accelerometer, SAND 96-2075C.
4 Brady R. Davies, M. Steven Rodgers and Stephen Montague, SAND, Applying Macro Design Tools to the Design of MEMS Accelerometers.
5 Todd Christenson,2643,Failure Analysis of 7270A High G Accelerometer.
6 Navid Yazdi, et al. Micromachined Inertial Sensors, Proceedings of the IEEE, VOL. 86, NO. 8, August 1998.
7 Adám Kovács, et al. Structural Parameter Sensitivity Analysis of Cantilever and Bridge Type Accelerometers. Sensors and Actuators A 89(2001)197-205.
8 Gab-Soon Kim, et al. Design and fabrication of a six-component force/moment sensor, Sensors and Actuators 77(1999)209-220.
9 Roger Allan. MEMS designs gear up for greater commercialization [J/OL] http://www.planetee.com. 2000-06-12.
10 Zhao Ya-Pu, Yu T X. Failure mode of MEMS and microscale adhesive contact theory international. Journal of Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2000,(1): 361-271.
11 Ko W H. The future of sensors and actuators systems. Sensors and Actuators, 1996, A56: 193-197.
12 徐灏主编．机械设计手册(1)．机械工业出版社，1991．
13 李景涌．有限元法．北京邮电大学出版社，1999．
14 刘涛，杨风鹏．精通ANSYS．清华大学出版社，2002．
15 彦庆津．数值分析．北京航空航天大学出版社，1992．
16 龚志钰等．材料力学．科学出版社，1999．
17 蔺海荣，冯维明，虞松．材料力学．国防工业出版社，2001．
18 余瑞芬．传感器原理．航空工业出版社，1995．
19 周衍柏．理论力学教程．高等教育出版社，1986．
20 屈新芬，苏伟．侵彻武器用MEMS大G值加速度计．电子技术参考，2002，2．
21 余庆华，李哲．现代机械动力学．北京工业大学出版社，1998．
22 李志信，罗小兵，过增元．MEMS的技术现状及发展趋势．传感器技术，2001，20(9)：58-60．
23 刘光辉，亢春梅．MEMS技术的现状和发展趋势．传感器技术，2001，20(1)：52-56．
24 曹金名．MEMS技术的现状和发展趋势．2002国际新型传感器技术应用与产业发展论坛论文
集，56-61．
25 王立鼎，刘冲．微机电系统科学与技术发展趋势．大连理工大学学报，2000，(9)：505-507．
26 李志信，罗小兵，过增元．MEMS在惯性测量中的应用．传感器技术，2001，20(7)：58-60．
27 金磊，高世桥，李文杰．微加速度传感器硅微结构设计．传感器技术，2000，19(2)：23-25．
28 费龙，钟先信等．硅微加速度传感器的现状及研究方向．传感器技术，1995，14(5)：1-6．
29 穆军．美军实施“外科手术”的关键武器——钻地弹．现代兵器，1999，5．
30 丘浩兴．开路先锋 钻地有术——侵彻战斗部发展概述．现代兵器，1999，2．
31 王术敏．自适应触发延期引信的数字模拟仿真．中国工程物理研究院研究生部研究生毕业论文．
32 徐鹏，祖静，林祖森．微加速度计的力学分析．传感器技术，2002，21(6)：62-64．
33 洪连进，陈洪娟．电容式硅微加速度计变换方程的研究．仪表技术与传感器．2002，6．
34 亢春梅，曹金名，刘光辉．国外MEMS技术的现状及其在军事领域中的应用．传感器技术，2002，21(6)：4-7．
35 张中平．微硅高g加速度传感器工艺研究．仪表技术与传感器．2002，4．
36 孟军，茅盘松．微硅加速度传感器的发展．电子器件，1999，22(4)：92-98．
37 美国专利，专利号：4694752，自适应延迟引信的控制方法．
38 美国专利，专利号：5255608，高速钻地弹对介质的实时识别．
39 美国专利，专利号：4375192，可遍程引信．
40 李跃进，杨银堂等，微机械加工硅电容式加速度传感器，传感器技术，2001，20(1)：57-59．
41 吴仲成等，基于厚膜技术E型三维加速度传感器的设计．仪表技术与传感器，2001，9：3-5．
42 何小平，彭勃．叉指式微结构加速度传感器刚度的力法求解．传感器技术，2000，19(6)：25-27．
43 孟为民等，MEMS的设计方法与系统模拟．传感器技术，2001，20(10)：57-60．
44 刘广玉，陈明．新型传感器技术及应用．北京航空航天大学出版社，1995．
45 朱言彬．传感器技术的最新进展和市场机遇，传感器技术，2000，19(3)：1-4．
46 赵凯华，陈熙谋．电磁学．高等教育出版社，1985．
47 张中平．微硅高g加速度传感器工艺研究，仪表技术与传感器，2002，4：1-3．
48 沈守范．MathCAD使用详解．电子工业出版社，2001．
49 夸克工作室．有限元分析基础篇ANSYS与Matlab．清华大学出版社，2002．
50 商顺昌．钻地武器自适应引信技术，电子技术参考，2002，3．
51 王家桢，王俊杰．传感器与变送器．清华大小出版社，1996．
52 许波，刘征．Matlab工程数学应用．清华大学出版社，2000．
53 胡军，彭勃，杨黎明．压阻式高g值空气阻尼冲击微加速度计，电子技术参考，2002，4．
2 Brady R. Davies, et al. Micromachined Accelerometer Design, Modeling and Validation, SAND 98-0868C.
3 Brady R. Davies, et al. High G MEMS Integrated Accelerometer, SAND 96-2075C.
4 Brady R. Davies, M. Steven Rodgers and Stephen Montague, SAND, Applying Macro Design Tools to the Design of MEMS Accelerometers.
5 Todd Christenson,2643,Failure Analysis of 7270A High G Accelerometer.
6 Navid Yazdi, et al. Micromachined Inertial Sensors, Proceedings of the IEEE, VOL. 86, NO. 8, August 1998.
7 Adám Kovács, et al. Structural Parameter Sensitivity Analysis of Cantilever and Bridge Type Accelerometers. Sensors and Actuators A 89(2001)197-205.
8 Gab-Soon Kim, et al. Design and fabrication of a six-component force/moment sensor, Sensors and Actuators 77(1999)209-220.
9 Roger Allan. MEMS designs gear up for greater commercialization [J/OL] http://www.planetee.com. 2000-06-12.
10 Zhao Ya-Pu, Yu T X. Failure mode of MEMS and microscale adhesive contact theory international. Journal of Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2000,(1): 361-271.
11 Ko W H. The future of sensors and actuators systems. Sensors and Actuators, 1996, A56: 193-197.
12 徐灏主编．机械设计手册(1)．机械工业出版社，1991．
13 李景涌．有限元法．北京邮电大学出版社，1999．
14 刘涛，杨风鹏．精通ANSYS．清华大学出版社，2002．
15 彦庆津．数值分析．北京航空航天大学出版社，1992．
16 龚志钰等．材料力学．科学出版社，1999．
17 蔺海荣，冯维明，虞松．材料力学．国防工业出版社，2001．
18 余瑞芬．传感器原理．航空工业出版社，1995．
19 周衍柏．理论力学教程．高等教育出版社，1986．
20 屈新芬，苏伟．侵彻武器用MEMS大G值加速度计．电子技术参考，2002，2．
21 余庆华，李哲．现代机械动力学．北京工业大学出版社，1998．
22 李志信，罗小兵，过增元．MEMS的技术现状及发展趋势．传感器技术，2001，20(9)：58-60．
23 刘光辉，亢春梅．MEMS技术的现状和发展趋势．传感器技术，2001，20(1)：52-56．
24 曹金名．MEMS技术的现状和发展趋势．2002国际新型传感器技术应用与产业发展论坛论文
集，56-61．
25 王立鼎，刘冲．微机电系统科学与技术发展趋势．大连理工大学学报，2000，(9)：505-507．
26 李志信，罗小兵，过增元．MEMS在惯性测量中的应用．传感器技术，2001，20(7)：58-60．
27 金磊，高世桥，李文杰．微加速度传感器硅微结构设计．传感器技术，2000，19(2)：23-25．
28 费龙，钟先信等．硅微加速度传感器的现状及研究方向．传感器技术，1995，14(5)：1-6．
29 穆军．美军实施“外科手术”的关键武器——钻地弹．现代兵器，1999，5．
30 丘浩兴．开路先锋 钻地有术——侵彻战斗部发展概述．现代兵器，1999，2．
31 王术敏．自适应触发延期引信的数字模拟仿真．中国工程物理研究院研究生部研究生毕业论文．
32 徐鹏，祖静，林祖森．微加速度计的力学分析．传感器技术，2002，21(6)：62-64．
33 洪连进，陈洪娟．电容式硅微加速度计变换方程的研究．仪表技术与传感器．2002，6．
34 亢春梅，曹金名，刘光辉．国外MEMS技术的现状及其在军事领域中的应用．传感器技术，2002，21(6)：4-7．
35 张中平．微硅高g加速度传感器工艺研究．仪表技术与传感器．2002，4．
36 孟军，茅盘松．微硅加速度传感器的发展．电子器件，1999，22(4)：92-98．
37 美国专利，专利号：4694752，自适应延迟引信的控制方法．
38 美国专利，专利号：5255608，高速钻地弹对介质的实时识别．
39 美国专利，专利号：4375192，可遍程引信．
40 李跃进，杨银堂等，微机械加工硅电容式加速度传感器，传感器技术，2001，20(1)：57-59．
41 吴仲成等，基于厚膜技术E型三维加速度传感器的设计．仪表技术与传感器，2001，9：3-5．
42 何小平，彭勃．叉指式微结构加速度传感器刚度的力法求解．传感器技术，2000，19(6)：25-27．
43 孟为民等，MEMS的设计方法与系统模拟．传感器技术，2001，20(10)：57-60．
44 刘广玉，陈明．新型传感器技术及应用．北京航空航天大学出版社，1995．
45 朱言彬．传感器技术的最新进展和市场机遇，传感器技术，2000，19(3)：1-4．
46 赵凯华，陈熙谋．电磁学．高等教育出版社，1985．
47 张中平．微硅高g加速度传感器工艺研究，仪表技术与传感器，2002，4：1-3．
48 沈守范．MathCAD使用详解．电子工业出版社，2001．
49 夸克工作室．有限元分析基础篇ANSYS与Matlab．清华大学出版社，2002．
50 商顺昌．钻地武器自适应引信技术，电子技术参考，2002，3．
51 王家桢，王俊杰．传感器与变送器．清华大小出版社，1996．
52 许波，刘征．Matlab工程数学应用．清华大学出版社，2000．
53 胡军，彭勃，杨黎明．压阻式高g值空气阻尼冲击微加速度计，电子技术参考，2002，4．
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