大冲击后力反馈微加速度计吸合失效与防止

　　对于 MEMS 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可能发生吸合，使加速度计失效[1,4]。吸合失效是影响此类加速度计可靠性的重要因素。

　　1 已有研究及新问题

　　1)表面效应使敏感质量与固定结构发生粘附[1];

　　2)在量程内，MEMS 微机电系统电路中的静电力引起吸合[1];

　　3)加速度计开机上电瞬间或正常工作中受一定强度的外来冲击载荷，仍可能发生吸合失效，影响了可靠性[1]。

　　文献[1]深入讨论了 1)～3)的三种情况并给出了相应的三个稳定条件，通过在 MEMS 传感器敏感元件中增加止挡的方法有效地解决了 1)类问题，提出了解决 2)类问题的思路。本文在[1]的基础上针对 3)的情况进行了更深入的探讨和实验研究，并得出避免 2)、3)这类失效情况的具体方法，从而与文献[1]针对 1)、2)所取得的成果结合，保证了微加速度计避免 1)～3)类吸合失效问题上的可靠性[9]。

　　值得注意的是，由于微加速度计的表头齿间隙在 3 μm 左右，在受到 40g 以上的冲击时，会在 0.4 ms 左右的时间内造成动齿撞到定齿上的效果。考虑到噪声问题和实际应用的其它因素，设计者不可能仅仅因为这个原因将加速度计的带宽放得很宽，因此对于驰豫时间相对较窄的闭环系统带宽而言，其反馈作用显得很有限，故动齿会在短时间内离开原来所在的平衡位置。因为原闭环系统没有静态误差，至少为 I 型系统，所以此时反馈出力会达到饱和值。在此种状况下，考察控制系统反馈通道中的静电力发生器环节的特性变化，从而针对反馈出力的饱和值设计微加速度计闭环系统的饱和特性是有意义的[7]。

　　2 大冲击载荷下闭环系统特性

　　图 1 是微加速度计闭环系统方块图。微加速度计正常工作时，敏感质量受其敏感方向的外界加速度作用产生微位移 x，从而使微结构的差动电容相应地变化。电容变化量信号被放大后引入校正网络，再传回静电力发生器产生静电力将敏感质量拉回电容无变化的平衡位置。其中为确保微加速度计的静态误差为零，校正网络最少有一级纯积分环节，要保证这个闭环系统起码是 I 型系统。

　　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置电压(预载)±Vref和相位相差 180°的正弦载波 Vcsinωt，动极板加反馈电压 Vfb。因载波的幅值比 Vref和 Vfb小 1～2 个数量级，对静电力的影响可忽略，故本文中的分析不考虑载波影响。假设动极板偏离平衡位置的位移为 x，则动极板所受静电力为[6]：