基于等效电路法的微加速度计系统建模研究

　　1　引言

　　微机电系统( micro-electro-mechanical system,MEMS)的系统级模拟,对于实现原型产品的性能预测和优化设计、节约开发时间及成本具有重要意义。在此过程中,如何针对系统的组成器件(子系统)建立能准确反映其行为特性的定量模型,即器件宏模型,是一项重要的基础性工作。快速精确的系统级模拟的内在要求,决定了宏模型本质上应是经过合理简化、具有最小自由度数目或“集总(lumped)”的解析模型[1];它不仅要能准确表征器件自身的动态行为,还必须在植入系统时能同外部环境实现无缝连接。

　　建立器件宏模型,进而实现系统级模拟的一个关键问题是如何处理不同能量域之间的耦合关系。构建等效电路和利用VHDL-AMS语言建模是常用的两种方法[2~6]。相对于后者,等效电路法的应用范围有限,建模的难度较大,技巧性也较强;但它所提供的简明直观的模型形式和物理意义,却能给系统的分析设计带来很大的方便。

　　本文主要针对一类闭环微加速度计的等效电路建模方法进行研究。通过建立系统中基本的机电换能元件———动极板可变电容的宏模型,着重探讨两类差动电容宏模型及该加速度计系统级模拟的实现方法,给出以等效电路形式描述的系统级模拟模型,并通过仿真实例对模型进行验证和分析。这些工作将为利用电路仿真软件进行系统模拟,进一步认识和分析其工作机理与动态特性,进而实现系统的仿真试验和优化设计奠定基础。

　　2　闭环微加速度计工作原理

　　静电反馈(力平衡)是微传感器中一种重要的工作方式,常用于对检测精度要求较高的场合。图1为本文讨论的梳齿式闭环微加速度计的系统原理示意图。两侧带有梳齿的敏感质量与弹性折叠梁成一体结构,可通过ICP(inductive coupling plasm)深度刻蚀技术制得[7]。每个梳齿均为一可动电极,与其两侧的固定电极构成差动电容对。按作用的不同,这些差动电容分为检测电容和加力电容。检测电容由极性相反的高频交流电压源±Vssin(ωst)供电,加力电容则以直流电压源±V0作为预载电压。由于单个微电容产生的信号非常微弱,故同类电容各自并联连接(图中引线未示出)。为方便起见,下面的分析只针对单个梳齿进行。

　　当外界有加速度a输入时,检测质量m受惯性力Fm=ma作用与基体间产生相对位移x,并经由检测电容转换为检测信号is输出。该信号经过交流前置放大、调制解调及功率放大等处理后,形成输出电压vout。同时,输出电压又作为反馈信号同步施加到加力电容的两固定电极上,使其原有电压大小发生改变,从而在检测质量上产生与运动方向相反的静电回复力,形成反馈回路。平衡时,反馈静电力近似等于惯性力,从而实现对输入加速度的检测。