一种新型电容微加速度计的设计与仿真

　　微型电子机械系统(MEMS)是一个集成了微传感器、微执行器、微信号处理的复杂系统,涉及力、电、磁、流、光、热等多个能量域的相互作用。随着器件特征尺寸缩小至微米量级,与结构特征尺寸成低次方的力起主导作用(如静电力、粘性力等),这导致微观领域的驱动、检测不同于宏观领域。静电驱动、电容(电阻)检测是MEMS领域最常用的实现方式。但是静电驱动的不稳定性、待测量数量级低造成的测量精度与测量范围等问题一直限制着MEMS传感器的应用。微加速度计是最早应用的MEMS器件,根据其实现原理微加速度计有多种类型,常用微加速度计的类型有:压阻式、电容式、热电式、谐振式[1]等。由于电容式微加速度计具有精度高、漂移低、温度敏感性低等优点,目前使用最为广泛。电容式加速度计的敏感结构为可变电容,实现原理简单但质量块体积必须足够大才能满足检测要求,对电容极板的面积、极板间隙要求严格,器件制造一般需采用较高的深宽比。电容式微加速度计灵敏度约为400 mV/g,测量范围在50 g左右[2, 4]。本文采用变间距式的电容结构,在设计中利用杠杆原理减小了质量块体积,增大了加速度的检测灵敏度。

　　1　工作方式

　　图1为本文介绍的电容式微加速度计示意图。图1中传感器由质量块、杠杆机构、梳齿检测电极(图2)组成。梳齿电极的弹性梁两端固定,其中部通过杠杆与质量块相连,梳状电容极板均布于两根弹性梁之间。弹性梁的厚度远大于其宽度,与支撑梁一起保证系统具有方向选择性。当输入轴方向存在加速度时,质量块产生惯性力通过杠杆放大作用于弹性梁,弹性梁发生形变使电容极板间距改变,电容C1、C2值改变,产生差动电容。弹性梁中点的微位移由梳齿与定齿之间形成的差动电容电桥检测,并转换为与位移成比例的电压信号输出。而该微位移与质量块的加速度成线性关系,这样通过检测输出信号即可确定输入轴方向的加速度值。当系统平衡时弹性梁的回复力等于外界加速度引起的惯性力。通过杠杆可有效的放大质量块的惯性力,从而提高系统的测量灵敏度。

　　2　基本理论

　　设质量块M、弹性梁刚度k、阻尼系数c,可得到图3所示的系统模型原理图。

　　该系统为质量2阻尼2弹簧系统。若输入加速度a,则在惯性力ma作用下其动力学方程[3,5]为

　　式中:A为杠杆的放大系数;x为弹性梁位移;m为弹性梁、连接梁的有效质量之和。弹性梁的刚度系数可由两端固支的梁计算得到。

　　系统的阻尼影响较为复杂,当极板间距发生变化时,将会挤压极板间的空气,从而产生气体阻尼。其大小主要由极板的运动频率、空气的粘性系数决定。在微加速度计实际应用中将系统封装在真空中以降低阻尼的影响提高系统的品质因子。