检测电压对一种新型谐振式微加速度计的影响

　　谐振式微加速度计是一种有良好发展前景的新型传感器。它的基本特征是输出频率信号, 这是一种准数字信号, 它不易受到环境噪声的干扰, 在传输和处理过程中也不易出现误差, 因而它属高性能器件。谐振式微加速度计的工作原理是: 利用谐振频率随其刚度的变化而变化; 通过测量谐振器频率的变化量来检测刚度变化值; 同时建立加速度和谐振器刚度变化量之间的联系。即通过检测频率变化量进行加速度测量。研究较多的是基于轴向力变化引起的刚度变化的谐振式加速度计, 由于直接将惯性力加于谐振器轴向, 同样大小的灵敏度必定要求非常大的质量块, 这种方式的微加速度计尺寸非常大。

　　目前较多的是将质量块产生的惯性力经放大后加载于谐振器轴上, 但由于微构件几何尺寸太小, 杠杆抗冲击性弱, 重复性差, 灵敏度下降快; 同时结构性能受工艺误差影响比较大。韩国Seoul Natio nal Un-iversity 的研究人员尝试通过加载在平行板上的静电力引起的静电刚度来调节频率变化, 即加速度引起质量块的位移, 位移带来静电刚度的变化, 刚度变化带来频率的变化[ 1] 。基于静电刚度的谐振式微加速度计可以通过改变加载检测电压来调节灵敏度,对加工误差具有较好的鲁棒性, 重复性和稳定性均比较好[ 2] 。本文根据基于静电刚度的微加速度计的工作原理, 建立了其动力学模型, 并分析了检测电压对加速度计量程, 灵敏度及检测端寄生电容的影响,为设计外围驱动接口电路提供了依据。

　　1 基于静电刚度的微加速度计原理

　　基于静电刚度的谐振式微加速度计主要由敏感质量块( 阻尼孔) 、折叠梁、检测平行板电容器、固定电极、驱动梳齿电容器、音叉谐振梁、固定锚点等, 如图1。Y 方向为驱动检测方向。采用单边驱动, 差动敏感的方式。

　　式( 3) 中N 为平行板电容的对数, 假设所有的平行板结构参数相同; g0 为单个电容的静态间隙,即起始间隙; E为介电常数, h 为单个电容极板的有效厚度, 沿Z 方向; l 为单个极板的有效长度, 沿X方向; A = N hl 为等效正对面积。平行板结构产生的静电力:

　　实际微加速度计中检测端的平行板电容器与质量块固连后并接在折叠梁上, 当检测端上电后质量块发生位移, 引起平行板间距发生变化。实际设计中折叠梁的刚度K s < < K m , 在上电过程中忽略音叉梁在检测电压下的位移, 即采用单边驱动单边检测模式。根据力平衡原理, 有:

　　实际加速度计设计时, 要求加速度产生的最大位移△g< < g0 , 设计为频率差分结构来提高灵敏度。将式( 10) 利用泰勒级数展开, 忽略高次项后, 结合式( 12) 有: