电容式硅微结构加速度计动态特性的研究

　　电容式加速度计是一种典型的微机电系统,因其具有体积小、功耗低和精度高等特点,已广泛应用于工业自动控制、车辆的振动测试等方面。加速度计的动态特性是衡量其性能的重要指标,也是决定它能否应用于前述领域的关键。加速度计动态特性的传统测试方法都是采用标准振动台互易校准法[1]。而振动台的结构一般较复杂,价格较高,而且振动加速度的非线性偏差不低于3%。因此,本文借助于静电力,研究了测量范围在±50 g的电容式硅微加速度计低频(10～1000 Hz)时的动态特性,同时配合研制了硅微加速度计。

　    1　静电力激振法原理

　　机械振动激振法多种多样,而静电力激振法得到了广泛的应用。例如,在测量物质弹性模量的装置MY-4中曾采用了这种方法[2],将静电力激振法直接用于电容式加速度计动态特性的研究中,如图1所示。直流极化电压U0分别通过电阻R施加到被测加速度计的固定极板1和2上,在极板1上同时施加正弦激励电压U。因为所研究的硅微加速度计的两个极板之间的间隙为1～10μm[3],即使在很小的电压作用下也会产生较大的静电力,而且这个静电力与作用在可动极板(硅悬梁)3上的机械力是可比的。

　　为了研究方便,假设图1中加速度计的间隙H1=H2=H0,初始电容C1=C2=C0,则此时作用在极板3上的静电力为

　　这样,在静电力F的作用下,极板3产生振动,并可表示为

2　静电力激振台

　　如果直接用图1所示的线路研究加速度计动态特性会产生一些问题,因为前面的讨论都是在测量仪表输入电阻RV为无穷大的条件下进行的。若考虑RV为有限值时,图1中的输出电压将变为

　　实际上加速度计固定极板1和2之间存在着寄生电容CX,图1所示系统中寄生电容的作用无法排除,而且寄生电容一般为0.05～0.5 pF。这样即使在没有极化电压U0存在的情况下,激励电压U也会通过寄生电容在输出端产生电压,即产生干扰信号

　　综合上面的分析,由于式(9)～式(11)所示误差项的存在,图1所示系统只能用于加速度计在频率大于100 Hz时的动态特性的测量。因此,为了克服上面的缺点,可以测加速度计的输出电流,而不测输出电压,其原理如图2(a)所示。在图2(a)所示系统中极化电压U0直接加在加速度计的可动极板2上,幅值为Um的激励电压加在固定极板1上,而固定极板3作为加速度计的输出端

　　在幅值为Um的正弦激励电压的作用下,在极板3产生的电流Ix(t)为

　　3　静电力的非线性分析