一种微机械加速度计的自检测特性研究

　　利用MEMS 技术制作的加速度计具有体积小、成本低以及功耗小等优点, 被广泛应用于航空、航天、军事以及汽车等领域, 具有广阔的发展前景[ 1-2] 。微机械加速度计在生产工艺过程中难免会存在一些误差, 会生产出一些功能不完善的器件, 同时微机械加速度计在受到冲击载荷以及温度变化也会引起失效[ 3-5] 。自检测功能是微加速度计的一项重要功能, 它能够检测出器件的不稳定因素和一些难以识别的缺陷[ 6] , 目前报道较多的是利用静电驱动自检测技术[ 7-8] 。对传感器的驱动电极与固定电极间加上一定的电压, 在静电力的作用下使活动电极产生一定的位移, 使检测端输出一个信号。在每次微机械加速度传感器工作之前, 通过检测这个信号可以验证加速度传感器是否处在正常的工作状态, 从而减少因加速度传感器失效而造成的损失。在实际应用中的加速度自检测功能使用低电压驱动, 产生的位移是纳米级的, 因此在研究加速度计自检测电极微小驱动位移的过程中, 纳米级的位移使测量的难度大大增加。

　　本文利用大驱动电压进行加速度计自检测电极静电驱动特性的实验研究, 使驱动位移达到微米量级, 在现有显微镜条件下可以测量。将测试结果与理论计算结果进行比较, 提取了加速度计结构的机械特征参数, 验证了理论修正公式。再利用理论公式计算低驱动电压时的微小位移, 对加速度计的自检测功能进行研究。

　　1 理论分析

　　1. 1 静电式自检测驱动原理

　　加速度计的自检测电极结构可以简化为平板驱动电极, 因为平板间距远小于平板长度和宽度, 我们假设平板间的电场都是自上而下的, 忽略边缘电场的变化。平板电容式驱动电极结构示意图如图1 所示。

　　根据电磁场理论公式, 平板电容间电场强度E 为:

　　其中E为真空介电常数, A 是平板电容的面积,Q为每个极板上所带的电荷。如图1 所示, 上极板带正电荷, 下极板带负电荷。极板间电压V 和电容C 的表达式为:

　　该微机械加速度计的自检测驱动电极模型如图2所示, 两极板一个为固定极板, 另一极板为弹性可动极板, 极板初始间距为x 0 , 假设可动极板位移量为x , 按图2 所示以向上为正方向, 则法向驱动静电力Fe 为:

　　在静电力的作用下, 可动极板会向下运动, 这样可动极板就会受到弹性力的作用, 设可动极板的位移为x , 弹性力的大小Fk 为:

　　1. 2 吸合电压

　　由于法向静电力与极板间距平方成反比, 而在驱动过程中极板间距随极板运动不断变化, 所以法向静电力是随极板运动非线性变化的力。在外加直流驱动电压下, 法向静电力使极板间距减小, 造成法向静电力增大, 法向静电力的增大进一步引起极板间距的减小, 又使法向静电力进一步增大。因此法向静电力的变化是一个正反馈过程, 平板式静电力驱动只有当驱动电压在一定的范围内才是稳定的。当驱动电压过大时, 由于法向驱动力与极板间距间的正反馈关系引起运动极板被吸合到固定极板上的现象称为吸合。当极板间距为x , 活动极板受到的弹性力与静电力的合力Fnet 为: