建立了水平方向静电悬浮非线性系统微分方程形式的数学模型,指明了该微分方程的解是振动周期函数.采 用物理方法求出了振幅的表达式,并对振幅随初始速度的变化特性进行了仿真,结果表明振幅随初始速度的增大而增大,但不是正比关系.对振动的频率特性进行了 一系列仿真研究,结果表明频率与初始条件有关,随着初始速度增大,频率增高.指出了作正弦振动的条件,并求出了正弦振动周期的表达式,周期的理论计算结果 与仿真结果一致.所得结论对于静电悬浮结构设计有一定指导作用.

为了研制谐振微机械加速度计,文中介绍了静电刚度的谐振式微加速度计的工作原理,并根据闭环控制要求,建立了基于自激原理的系统分析方程,利用平均周期法分析了系统稳定性和振动幅度稳态平衡点。理论分析确定了系统起振条件和相位偏差对闭环振幅和频率的影响。对基于体硅溶片制造和真空封装的谐振微加速度计,自激闭环测试结果表明检测电压1 V时,灵敏度为18 Hz/g;检测电压5 V时,灵敏度为58 Hz/g,10 min内闭环谐振频率最大漂移0.2 Hz,可分辨加速度约3.5 mg.

根据压阻传感原理设计了GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor,HEMT）器件与Si基悬臂梁-质量块结构集成的微加速度。通过ANSYS结构应力仿真,GaN基HEMT作为敏感单元置于微悬臂梁结构根部的应力最大处。同时对微加速度计的关键研制工艺进行了设计和研究,成功制备出具有力电耦合特性的传感结构。并且测试了微结构在静态0～10g的惯性测试,结果表明GaN基HEMT器件具备明显的力电耦合效应,该微加速度计的灵敏度为0.24 mA/g,线性度为12.4%,适合研制高灵敏度的微加速度计。

随着微器件的尺寸日益缩小,有必要评估Caslmir力对微器件性能的影响.本文以微机电系统中常见的微加速度计为对象,建模分析了Caslmir力对其性能的影响.研究表明,Casimir力对微加速度计性能的影响随极板间距离的减小而迅速增大.Casimir力使得微加速度计的最大可检测加速度减小,并且随支撑梁刚度的减小,对灵敏度的影响逐渐增大.当检测电容极板间距离等于400 nm时,Casimir力引起微加速度计的最大可检加速度的降幅达5.89%.

详细分析了高g微加速度计在冲击环境下的失效模式和失效机理,对0150 000 g 4端全固支的压阻式梁-岛结构微加速度计进行霍普金森杆（Hopkinson bar）激光干涉冲击试验.由试验结果可知,该结构的微加速度计抗冲击过载能力达100 000 g以上,微加速度计的失效模式表现为梁的裂纹和断裂.微加速度计在冲击环境下的可靠性采用应力-强度干涉模型进行评估.

利用金属-半导体结型场效应晶体管（MESFET）作为微加速度计的敏感单元,设计一种4梁-质量块微加速度计结构.通过ANSYS分析软件进行仿真,敏感单位放置于悬臂梁根部的应力最大处,以获得最大的灵敏度.将封装好的微加速度计结构,利用惠斯通电桥测试电路,检测不同载荷下的输出特性,验证了微加速度计的力电耦合效应.测试结果表明,该微加速度计的线性度较好,其最大加载范围可达到24 g,且饱和区的灵敏度可达到4.5 mV/g,为高灵敏微传感器的研究奠定了一定的基础.

目前研制的基于体硅工艺的微加速度计存在着启动时间较长,启动漂移量较大的问题,难以满足某些需要快速启动的应用。为了减少微加速度计的启动时间,对微加速度计的启动漂移特性进行了研究。分析了启动过程中微加速度计表芯自身发热,驱动和检测电路的发热的热传导和电路参数漂移的影响,并建立了包括电路的微加速度计有限元模型进行热仿真分析,为了验证分析的结果设计了内嵌热敏电阻的微加速度计,最后通过一系列的实验验证了微加速度计启动漂移主要是由于电路发热热传导和时间漂移共同作用所致。

微机电系统（MEMS）器件在军用和民用领域应用都比较广泛,其设计研究涉及到机械、电子、磁场等领域,属于多学科问题,对其进行优化设计比较困难。文中以微加速度计ADXL150的优化设计为例以SUGAR软件作为分析器提出采用导重法对微机电系统器件进行优化设计。该方法与国外采用的遗传算法和退火算法等自然模拟优化算法相比,计算效率与计算精度大大提高,采用遗传算法和退火算法需要上万次分析,计算时间达4~5 h,而该方法仅需六七次优化迭代几分钟时间即可找到最优解。

讨论了一种多梳齿力平衡式微机械加速度计表头系统工作原理。因加速度计制造中存在的间距不对称,提出通过调节正负反馈电压比的方法来减小输出非线性误差,并得到了调节的约束关系式。通过体硅深宽比刻蚀和微键合工艺制造了加速度计并进行了封装,闭环电路实验测试得到在未修正系数前,加速度计在量程为-60～65 g时最大非线性误差为-0.8%,修正后满量程最大非线性误差为0.08%。试验结果与理论分析能很好地吻合,验证了方法的有效性。

微加速度计是集微电子与机械于一体的加速度敏感元件．微加速度计的应用越来越广泛，但是其可靠性问题成为制约微加速度计市场化的关键因素．为了预计压阻式微加速度计的可靠性，分析了一个完整的压阻式微加速度计，它由加速度计微结构、键合引线以及封装管壳等构成；讨论了加速度计的主要失效类型——由芯片材料缺陷以及工艺缺陷导致的内部失效以及由封装失效和内外引线失效导致的外部失效；详细论述了影响压阻式微加速度计可靠性的主要因素，并在此基础上建立了微加速度计的可靠性预计模型．