力平衡框架结构加速度计的设计

　　目前, 随着微机械加工技术的不断成熟, 由于硅微机械加速度计的体积小、成本低、工作带宽宽等优点得到了广泛的应用, 已经在传感器市场占据着越来越重要的地位, 小型化、智能化、集成化已成为加速度传感器的发展方向[ 1-2] . 但随着科学技术和生产的发展, 对加速度计提出了越来越高的要求: 测量系统应具有宽的频率响应, 大的动态范围, 高的灵敏度, 大的量程等, 采用开环测量系统很难同时满足上述诸多方面的要求, 因此利用反馈控制技术与传感器技术相结合而形成的闭环力平衡式微机械加速度计系统已成为人们研究的热点[ 3-4] .

　　传统的体硅工艺电容式加速度计结构已被广泛的应用于开环加速度系统之中, 例如, 我们工作组已成功地研制出了带有自检测功能的双片集成加速度计, 它的灵敏度是18 mV/ gn, 工作带宽为1 kHz[ 5] . 但通常传统的加速度计结构静态电容比较小, 在闭环工作时不容易被静电力驱动, 这将对其接口电路提出更高的要求.

　　本文提出的这种新的加速度计结构可以有效地增大静态电容, 并能合理地控制惯性质量, 使得该结构适于工作在闭环系统中. 使用MAT LA B 软件对该加速度计进行系统仿真, 得出该传感器有着灵敏度高, 带宽宽等特点.

　　1 加速度计结构设计

　　所设计的框架结构加速度计示意图如图1 所示.

　　与以往的加速度计结构相比, 它使用框架状质量块代替传统的块状质量块, 在质量块内外两侧均分布有梳齿电极, 使得该结构相对静态电容比较大.带有活动梳齿的框架状质量块通过弹性梁固定在锚点上, 而锚点又是连接在上下两侧的键合块上的, 各键合块通过键合固定在玻璃衬底上. 活动梳齿与固定梳齿交错搭配, 形成一组检测电容CS 和一组驱动电容C f . 该结构共有活动梳齿60 对, 其中14 对用作检测电极, 其余46 对作为驱动电极.

　　当有敏感方向的加速度信号作用到此加速度计上时, 框架状质量块以及活动梳齿会产生一个惯性力, 使弹性梁发生形变, 活动梳齿相对于固定梳齿会有一位移, 从而改变检测电容极板间距, 改变其电容值. 通过外部接口电路对该电容变化进行检测, 就可以得到相应的电压输出. 而当非敏感方向有加速度作用时, 结构机械灵敏度非常低, 并且由于该结构的左右对称性, 最终不会有差分电容信号输出, 也就不会有电压输出.

　　传感器结构性能参数之间有很多是相互矛盾的量, 例如, 灵敏度与谐振频率; 灵敏度与抗过载能力等, 在结构设计过程中要综合考虑各参数. 本文在考虑了各影响因素同时, 使用ANSYS 有限元分析软件对该结构进行建模、分析, 最终得到较为优化的结构.根据模拟结果, 该加速度计结构在敏感方向1g载荷的作用下, 产生的最大位移( DMX) 为2. 94 x 10-9m, 即它的机械灵敏度为2. 94 x 10-9 m/ gn . 在不同方向加载5 000 gn 载荷时, 结构内部产生的最大应力为0. 17 GPa, 而硅材料所能承受的最大应力为7 GPa, 可见, 该结构抗过载能力远大于5 000 gn .