具有自检自标定功能的高负载电容式金属微加速度计的研究

　　在弹药引信、钻探等领域，高负载微加速度计具有广泛的应用前景并得到大量的研究[1 - 5]。电容式微加速度计具有灵敏度高、温漂小等优点，因而发展迅速，其工作原理是: 电容的动极板承受加速度力后发生位移或变形，从而引起动极板和定极板的间距发生变化，并导致电容值改变。常见电容式微加速度计结构主要有梳齿式结构和质量块- 梁结构两种[6 - 7]。其中质量块- 梁结构一般采用体加工工艺制作，位于质量块表面的活动电极面积大，故传感器灵敏度高; 通过增加梁的数目与调整梁的形状可使微加速度计具有很高的负载能力。该结构形式的电容式微加速度计在高负载下具有以下特点，需要在研制中予以注意。

　　( 1) 强度要求高高负载下，对微加速度计在结构、材料上的强度提出更高要求。

　　( 2) 活动部件变形复杂对于低负载微加速度计，要求质量块在敏感方向上的刚度为支撑梁刚度10 倍以上[6]，质量块的变形可以忽略，各支撑梁可简单地视为互相独立的悬臂梁，从而能容易地实现输入- 输出关系的建模。但对于高负载微加速度计，一方面支撑梁需增大横截面积或减小长度以提高强度，则其刚度较大; 另一方面为减载荷的大小需减小加速度力; 同时又要继续保证足够的电极面积，则要求质量块较薄，故与低负载微加速度计相比，质量块与支撑梁的刚度差别减小，工作时质量块将与支撑梁一同发生弯曲变形并互相作用。质量块与支撑梁作为整体构成了一超静定结构。

　　( 3) 残余应力、温度应力等内部机械力的影响较大对于低负载微加速度计，质量块刚度大，几乎不发生变形，质量块上的残余应力、温度应力等在质量块不同位置处均与表面切向平行，故对活动部件变形影响很小。对于高负载微加速度计，由于质量块较薄，残余应力、温度应力等作用明显，质量块会发生明显的弯曲，内部机械力在质量块变形方向上的分量对活动部件变形产生很大影响。

　　( 4) 存在复杂的机电耦合现象静电力的大小是极板间距的函数。此外，质量块发生变形后，动极板与定极板之间的静电场不再均匀分布，故导致静电力大小还与其作用位置相关。内部机械力对质量块变形的作用，则与质量块表面曲率有关。可见不仅加速度力、静电力、内部机械力对质量块变形产生作用，同时质量块的变形又反作用于静电力和内部机械力的变形方向分量。机电耦合现象使得高负载微加速度计的输入- 输出关系非常复杂。

　　( 5) 需要能实现自检、自标定功能微加速度计在高负载作用下更容易出现故障，且高负载微加速度计工作环境往往比较恶劣，与生产环境相差较大，工作性能易发生变化。与低负载微加速度计相比，高负载微加速度计由于其输入- 输出关系是非常复杂的物理场耦合的结果，加工尺寸误差能对器件工作性能产生更大影响。此外，由微加工工艺得到的结构的材料参数如杨氏模量与由常规工艺得到的结构相差相当大，且准确值取决于具体工艺参数[6]。具体工艺参数的不同还导致了不同生产批次的微加速度计在其它方面的差异，比如作为关键尺寸的极板间隙和质量块厚度会由于牺牲层成分和厚度、刻蚀液成分和浓度、电镀液成分和浓度、电镀电流等控制上的误差而不同，而残余应力和温度应力在微结构制造、封装等多个环节中受许多因素影响更难以精确控制。由上可见，在高负载微加速度计的使用过程中应能随时进行故障检查，在封装完毕后和使用过程中应能对关键参数进行测量标定。