扭摆式硅微加速度计的研究

　　1　引　　言

　　随着微电子技术和微机械加工技术的发展,器件向小型化、微型化发展,一大批微型器件不断涌现出来。扭摆式硅微加速度计,作为一种重要的惯性敏感器件,由此应运而生。它具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、抗冲振能力强以及易于大批量生产等显著优点,在轻型反装甲武器、导弹控制、鱼雷、航空、短时间导航、汽车、医疗电子乃至儿童玩具等方面,获得广泛的应用。[1～2]

　　2　结构组成

　　如图1所示,作为敏感元件的不对称硅制平板,通过一对挠性轴与基座相连,并安放在玻璃底座的上方。玻璃底座上有用于检测和施力的电极。

　　3　工作机理

　　当有加速度信号输入时,在惯性力的作用下,硅制平板绕其挠性轴旋转一个角度,且转角θ满足下式:

　　可见偏转角θ正比于输入加速度a的大小。硅制平板旋转角度θ,引起检测电容的变化量ΔC为:

　　综合(1)、(2)式,可得检测电容变化量ΔC与输入加速度a间的关系式:

　　从式(3)可以看出,检测电容变化量ΔC与输入加速度a成比例。所以,通过测量电容变化量ΔC,便可得到输入加速度a的值。

　　4　灵敏度

　　对于微器件,由于尺寸的大幅度减少,使得检测信号变得相当微弱。所以,要从干扰信号中将微弱有用信号检测出来,并非易事,而器件灵敏度的提高,有利于微弱信号的检测。因此,灵敏度如何提高,是设计时首要考虑的问题。

　　设检测电路的增益为Kd,则输出电压u可写成:

　　式(5)中的比例系数Ks即为该扭摆式硅微加速度计的灵敏度系数,它除了与检测质量(即硅制平板不对称部分)和检测电容的尺寸及位置有关外,还与挠性轴的扭转弹性系数有关。对于图1所示的摆式结构,根据微机械弹性理论,其扭转弹性系数K可写成:

　　将式(6)代入Ks的表达式中,便得该扭摆式硅微加速度计的灵敏度系数:

　　由式(7)可知,要提高该扭摆式硅微加速度计的灵敏度,可从以下几个方面着手:

　　1.　检测质量　增加检测质量、增大它到挠性轴的距离,都将有利于提高加速度计的灵敏度。

　　2.　检测电容　加大检测电容的尺寸、增大其到挠性轴的距离,将提高加速度计的灵敏度。

　　3.　挠性轴　在保证加速度计正常工作的前提下,增加挠性轴的长度、减少其宽度和高度,特别是减少其高度,对加速度计灵敏度的提高效果显著。

　　4.　电容极板间距　灵敏度系数与极板间距的平方成反比。因此,极板间距的减少,将极大提高加速度计的灵敏度,但同时也会引起测量范围变窄。在测量范围较宽的场合,一般工作在闭环状态,以解决灵敏度与测量范围间的矛盾。