谐振式微加速度计驱动和检测结构设计及制作

　　谐振式微传感器是近年来传感器和MEMS(micro-electromechanical system)领域的研究热点,这是由于其具有高灵敏度、高带宽、抗干扰性强和准数字的频率信号输出等优点[1-3]。谐振器及其驱动和检测问题是谐振式微传感器的关键技术之一。通常的谐振器驱动方式有:静电驱动、电磁驱动、压电驱动、电热驱动和光热驱动等;而检测方式有:电容检测、电阻检测和光检测等[4-6]。梳齿式静电驱动和电容检测谐振器是比较有效的经典方法,也是国内外研究的热点[7-9]。同时,谐振式也是在惯性导航和汽车工程等领域有广泛应用的微加速度计[10-11]的发展方向之一。但由于加速度计结构中的谐振器不仅要求工作在谐振状态,而且要求谐振器的谐振频率随加速度的变化而变化;另外,由于加速度计结构的复杂性,导致加速度计谐振器结构复杂,驱动和检测困难。笔者基于经典的梳齿式横向静电驱动和电容检测理论设计了一种新型结构梳齿电容,有效地提高了谐振器驱动力和检测电容值,同时实现了基于该谐振器的微加速度计原型。

　　1　谐振器参数设计

　　加速度计谐振器设计时要考虑的主要因素有:自身固有频率高、频率对外力变化敏感、驱动力需求小、检测电容足够大(谐振时振幅足够大)、谐振时不发生屈曲、最大应力小于材料强度极限以及品质因子高等。为此,根据加速度计的工作原理和结构特征,基于双端固定音叉(DETF)[12]结构设计并优化了谐振器振动部件结构,如图1所示。表1给出了DETF谐振器几何参数和部分特征量。

　　2　驱动和检测结构设计

　　图2为包含驱动和检测梳齿的完整谐振器结构。梳齿的设计参数如表2所示。

　　2.1　梳齿横向驱动力和检测电容值理论分析

　　梳齿之间的电容为[13]

　　若加载与梳齿电容两端的电压为U,则电场能量为

　　将电场能量E对y轴向位移求偏导数,则得沿y轴方向的静电吸力

　　由式(3)可以看出力Fy与梳齿在y方向的位移无关。

　　在驱动端固定电极上施加的是带有直流偏置的交流电压,同时在检测端电极上加同等大小的直流电压,则两对梳齿以推挽方式驱动。即

式中:Up为直流偏置电压;UD为交流电压幅值;ω为角频率。在该电压作用下,检测和驱动两个固定电极对活动电极的静电吸力可表示为

　　静电吸力的方向总是使电极之间的电场能量趋于最大。因此驱动端固定电极对活动电极的静电吸力沿y轴的负向,检测端的静电吸力沿y轴的正向。则梳齿电极的静电驱动力为

　　由此可见,梳状电极横向静电驱动力是随时间按简谐规律变化的,其角频率与驱动电压的角频率相同,幅值与梳状电极的几何参数及驱动电压有关,而与活动电极相对固定电极的位移无关。当N=18,UP=10 V,UD=5 V,由式(5)可得最大横向驱动静电力为0.12μN。同时由式(1)可以计算出当振幅为1μm时的电容变化量为6.032 8×10-15F(基准电容为3.362 1×10-14F)。