静电悬浮微机械加速度计设计

静电悬浮的微机械加速度计结合了静电悬浮技术与MEMS技术的优势,具有灵敏度高、温度系数小、性能调整方便、三轴集成、可微小型化等特点。若对静电悬浮状态的惯性质量块进行加转,还可构成两轴转动陀螺,成为高度集成的加速度计/陀螺仪,使惯性组合更趋微型化。目前国外已有关于静电悬浮单轴加速度计和加速度计/陀螺仪的研究报道,研制出了具有一定性能的原理样机[1 5]。本文将探讨静电悬浮三轴微机械加速度计的工作原理、性能计算和敏感结构参数设计。

1　工作原理

静电悬浮微加速度计实现加速度检测的关键在于敏感质量的受控悬浮通过闭环控制使悬浮质量块在静电力作用下稳定悬浮,始终保持其与固定电极的相对位置不变。通过控制电压的调节,悬浮质量块处于力平衡和力矩平衡状态。

实现静电悬浮须对质量块进行5自由度位置控制,分别是X、Y、Z方向平动,绕X、Y轴转动。静电悬浮的原理如图1所示,图中只示意了在3个自由度上的控制电极,即沿Y、Z方向平动及绕X轴转动,另两个自由度的情况类似。

1.1　位移检测原理

如图1所示,由固定的控制电极与悬浮质量块构成若干对差动式可变电容器。依靠它们构成多个电容电桥,悬浮质量块在某个自由度上的位移将引起相应电容电桥的差动变化,检测这一微电容变化可以反映出在该自由度上的位移。为了同时检测多自由度上的位移,采用多路频分复用的方法:对不同自由度上的控制电极对加不同频率的高频载波信号,由公共电容极板输出多路混合的调制信号,对其进行选频放大、同频解调就可以获得悬浮质量块在相应自由度上的位移信息。

1.2　力反馈控制原理

为了对悬浮质量块施以差动的静电反馈力,须给控制电极预加一定的直流偏置电压,将检测到的位移信号送给控制器经校正后,得到的控制电压信号按负反馈原则作用到相应自由度的控制电极,与预载电压叠加,产生的静电反馈力(矩)使质量块回到检测零位,实现悬浮控制。控制电压的大小反映了悬浮质量块在该自由度上所受惯性力(矩)的大小,加速度得以测量。

1.3　悬浮质量块的虚地电位

实现稳定的静电悬浮的重要前提是保证悬浮质量块的电位恒定。这样才能通过改变控制电极的电位来调节对悬浮质量块所施静电合力(矩)的大小和方向。由于悬浮状态下质量块与外界没有连接,又处于由控制电极构成的复杂静电场中,要保持其电位恒定,需采取特殊措施。通过对控制电极的合理拆分,将质量块置于零电位是可行的方案[3,4]。如图2所示,将图2a中一对电极的每边拆分为图2b所示的面积严格相等的两块或两组分电极,分别施加大小相等、极性相反的直流电压,可以保证处于电极之间的孤立导体始终保持零电位,不随位置移动而改变。图3示出了V1、V2取6 V,悬浮质量块处于上、下控制极板间不同位置时,板内空间电势分布的有限元仿真结果,图中两条白线之间的区域为悬浮质量块,结果显示质量块保持在零电位。计算还表明V1、V2的取值不影响上述结论。由于悬浮质块并无实质上的接地,所以视其为虚地电位。