一种电容式微加速度计的系统设计与温度影响分析

　　MEMS是本世纪新兴的一项技术,它由机械部件和电器元件共同构成微器件和微系统,这些部件和系统在微观领域内能完成感知、控制和驱动的功能.多晶硅梳齿微加速度计作为一种常见的MEMS惯性器件,主要用来测量载体的加速度,通过积分,提供速度和位移的信息.并且具有尺寸小、质量轻、功耗低和性能优良等特点,所以在航空、航天、汽车、军事等领域有着广泛的应用[1].对器件的设计及参数的优化往往采用实体建模及有限元的分析方法[2],此种方法分析结果精确但建模较为复杂,而且对于复杂器件网格化之后分析将花费大量的时间,而采用CoverWt are中的Architect模块,将代表结构件的模块按照顺序连接并设立参数即可快速建立其系统模型.在此系统模型基础上,按照对加速度计的频率响应需要,可以设定所要研究的参数为变量,对参数进行优化分析,很短的时间内即可得到结果,克服了在有限元方法中由于网格划分而带来计算时间较长的缺点,而且此方法所得结果与有限元方法非常接近[3],因此该方法可节省设计分析的步骤和时间.

　　在线检测一直是MEMS发展的瓶颈问题,现有的加工、分析方法和手段基本是借鉴IC技术,由于微加速度计尺寸处在微米级,相比传统宏观件和IC产品呈现出新的机电及耦合特性.对它的设计、分析和检测不同于传统宏观件和IC产品,尤其是环境对其性能的影响分析很难实现在线检测,若是仅借助加工出来的试件进行测试,那么将花费大量的时间和资源.对于硅这种热敏材料,环境温度的变化,对整个加速度计的机械特性和输出会产生较大的影响,由于加速度计在工作状态下很难实现在线测量,如果能在设计阶段就对其进行力学和环境温度影响进行静态仿真、时域仿真和频域仿真分析,便可以预测加工出来的原理样机的时域特性和频响特性,研究环境温度对其产生的影响[4].

　　1　梳齿微加速度计的结构和机械特性分析

　　典型的微加速度计由可动的质量块、梳齿电容和折叠梁组成[5],结构如图1所示:活动梳齿与带有阻尼孔的质量块相连,质量块由折叠梁固定在锚点上.活动梳齿与固定梳齿构成感测和力反馈单元.当有加速度输入到微加速度计时,在惯性力的作用下,质量块相对基底发生移动,但会受到悬臂梁的拉力和空气阻力的影响,同时加速度引起固定梳齿和活动梳齿间电容发生变化时,位移检测器检测到电容的变化后,经控制变换产生反馈电压,同时在电容间产生与惯性力平衡的静电力,加速度与反馈电压成正比,由检测到的电压即可得加速度的大小.

　　1. 1　系统模型设计

　　在CoventorWare软件中,借助Architect元件库中的梁、质量块,梳齿驱动器元件,将这些元件的末端连接起来构成的系统模型如图2所示,再由系统模型生成三维模型.这样不必加工出实体件进行试验,而通过系统级的仿真就可以研究器件的时域和频域特性.这对于快速验证设计思想、实现自顶向下的设计流程以及提高设计效率都是很重要的.