静电力反馈微加速度计的吸合失效

 刘云峰,　董景新

(清华大学精密仪器与机械学系,北京100084)

对于静电力反馈微加速度计,其微机械敏感表头中的敏感质量与固定结构部分常发生吸合,使加速度计失效[1,2]。已有的研究初步揭示了引起吸合的原因:

1)表面效应使敏感质量与固定结构发生粘附。这种动、定结构在表面效应作用下的直接粘连[2],可通过在结构中加入如图1所示的止挡结构来解决。止挡限制了敏感质量偏移量,从而避免动、定结构发生大面积接触并粘连。

2)在量程内,静电力引起吸合[1]。文[3,4]指出,以往对静电力负刚度ke的计算存在偏差,导致由稳定条件km>ke(km为弹性支承梁的机械刚度)得出的理论量程偏高。离心机实验中,输入远未达到量程极限就因稳定条件不满足而失稳发生吸合。

针对上述原因,设计中采取了改进措施: 1)敏感表头中设计了止挡结构; 2)修正了静电负刚度的计算[3,4],在全量程范围满足稳定条件km>ke。离心机实验表明,改进后的加速度计能达到设计量程而不发生吸合失效。实验中也发现,加速度计开机上电瞬间,或正常工作中受一定强度的机械冲击,仍可能发生吸合失效,影响了可靠性。针对仍存在的吸合失效,作者进行了进一步的探讨和实验研究,并得出彻底避免吸合的方法。

1　吸合原因的推断

加速度计在开机瞬间可能受到静电力冲击,在开环和闭环工作状态可能受到外界的机械冲击。如果未建立闭环反馈或反馈不能准确响应,冲击将使敏感质量(动片)偏离平衡位置,若冲击强度较高,就可能出现以下两种情形而导致吸合失效。

1)加工误差导致实际的止挡结构失去限位作用,动、定极板接触,因表面效应而粘附在一起。

2)动片撞上止挡结构,与止挡有小面积接触,表面粘附力不强,但动片所受静电力非回复力,且大小超过弹性支承梁的弹性回复力,使动片被静电力“吸住”贴于止挡上无法回复平衡位置。

2　吸合发生条件的理论分析

加速度计敏感表头的简化模型如图2所示。

设动、定极板相对面积为S,动极板质量为m,平衡位置时其与定极板的间隙为d0,与止挡的间隙为ds,弹性梁的机械刚度为km,极板间电介质介电常数为ε,两侧定极板施加极性相反的直流偏压Vref和相位相差180°的正弦载波Vcsinωt,动极板加反馈电压Vfb。载波幅值比Vref和Vfb小1～2个数量级,对静电力的贡献可忽略,故以下分析不考虑载波。假设动极板偏离平衡位置的位移为x, (满足 x ≤ds

下面按加速度计的三种不同工作状态来讨论式(2)的不同形式。

2.1　正常的闭环工作状态