抗高过载加速度计微结构的设计与分析

　　0　引言

　　压阻式加速度计是利用硅的压阻效应和微电子技术制作,具有灵敏度高、响应速度快、可靠性好、精度高、低功耗、易于微型化与集成化等特点。随着计算机辅助设计及辅助制造的深入研究,压阻式加速度计的研究始终在持续发展。目前压阻式加速度计已广泛应用于航空航天中的飞行导航、飞行动力测量等军用领域及机器人过程控制、汽车停车控制、汽车刹车控制及机床监控等民用领域。在实际应用中,加速度计经常会受到冲击过载,尤其是在军工方面,在各种具有发射初始加速度极高,例如火炮发射时,由于巨大膛压的作用,弹体在膛内承受1~2万g_n的大过载,而在飞行过程中所受的振动、过载不到±50 g_n,这就需要传感器在承受高g_n值冲击后,仍具有优良的性能,因此研制难度很大。本文设计的结构测量范围为±50g_n,过载为20000g_n,灵敏度为1mV/g,工作频率0Hz~600Hz。

　　1　微结构设计与分析

　　加速度传感器是一个二阶系统,当外界加速度作用时,对质量块产生一个惯性力,进而引起弹性梁产生应变,通过硅的压阻效应检测出相应的加速度值。本加速度计微结构采用三层硅结构,见图1。中间硅层是惯性结构,上、下两层带有过载保护结构。中间硅层与上、下两层之间的间隙充满空气,由于质量块的上下运动,空气受挤压,反复进出,形成空气挤压膜阻尼结构,对过载起到一定的保护作用。加速度计的惯性结构采用有较好过振保护的双端固支梁结构。

　　1·1　惯性弹性梁设计

　　(1)弹性梁的固有频率

　　为保证传感器在工作频率范围内幅频特性是平坦的,传感器的固有频率应高于上限频率的5倍。对本结构来说,其频率响应为0Hz~600Hz,所以其固有频率应大于3kHz。梁的固有频率:

　　式中:ω0—为梁的固有角频率,rad/s;f0—为梁的固有频率,Hz;L—为梁的长度,m;b—为梁的宽度,m;h—为梁的厚度,m;E—为梁的弹性模量,Pa。

　　(2)弹性梁的灵敏度

　　弹性梁的力学模型见图2。

　　当被测加速度作用于二阶系统时,质量块产生的惯性力施加在弹性梁上,弹性梁因此产生变形。根据材料力学理论,梁上距固支点距离为x的点上的应变为。

　　式中:σ—为梁的应力,Pa;ε—为梁的应变;a—为加速度,m/s²;L₁—为质量块边缘距固支点的距离,m。

　　由式(2)可知,在x=L₁/2处,应力为零;在固支点和质量块边缘点应力最大,且等值反号。于是得到了弹性梁的应变与被测加速度的关系,即弹性梁的灵敏度为