力反馈式微机械加速度计刚度的自适应调整

　　1　引　言

　　加速度传感器是一种重要的力学量传感器，是最早受到研究的微机械惯性传感器之一，它的研究与开发始于60 年代末、70 年代初。随着对微硅加速度计原理研究的深入，工艺微机械加速度计已成为微机电系统具有代表性的产品，是重要的惯性仪表之一。近年来，已在工业、军事等领域试验性地开始使用[1-2]。

　　随着微机电系统技术的进步和工艺水平的提高，微加速度计有以下发展趋势[1-2]：

　　(1)高灵敏度。由于惯性质量块比较小，所以用来测量加速度的惯性力也相应比较小，系统的灵敏度相对较低，这样开发出高灵敏度的加速度计显得尤为重要。无论是民用还是军事用途，高灵敏度的微加速度计将会大大拓宽其运用范围。

　　(2)高分辨率。当前随着宇航、空间站等技术快速的发展，微重力测试成了一个重要方向。

　　(3)温漂小、迟滞效应小。选择合适的材料，采用合理的结构，以及应用新的低成本温度补偿环节，能够大幅度提高微加速度计的精度。

　　(4)多轴加速度计。多轴加速度计的解耦一直是结构设计中的难点，到了90年代末已经开发出了三轴可以付诸实际应用的微硅加速度计。

　　(5)将微加速度计表头和 ASIC电路集成在单片基体上。随着微电子技术，MEMS微电子封装技术的快速发展，全集成加速度计是必然的趋势，微机械微电子集成能够减小信号传输损耗，降低电路噪声。

　　(6)降低制作成本。选择合理的工艺手段，为微加速度计批量化生产提供工艺路线;同时，标准化微机电系统工艺，为微加速度计投片生产提供了一套利于操作、重复性好的工艺方法，也是微硅加速度计发展的重要方向。

　　电容式微机械加速度计是一种力平衡式的微机电系统(MEMS)电容加速度计，通过敏感元件把惯性力转换成电容的变化，然后通过电容检测电路、放大电路、校正电路和力发生器，最终反馈到电容两个极板形成的闭环系统来检测加速度。其中，力发生器的工作原理为：将预载电压与反馈电压叠加后分别施加在两个施力电极上，通过施力电极产生对摆片的静电作用力，用来平衡由输入加速度引起的惯性力[3-4]。

　　本文在进行理论分析和仿真后，设计出以DSP为核心的数字式微机械加速度计，并基于DSP提出刚度自适应调整方案以及 PI校正方案。对采用该方案的数字式微机械加速度计在实验室进行了闭环系统频率特性，大载荷冲击试验和分辨率试验，验证了这种调整方法的可行性。

　　2　微机械加速度计的主要性能分析

　　2.1　微机械加速度计的数学模型