一种沟槽结构四臂压电式加速度计的仿真设计

　　0　引　言

　　随着微机电系统(MEMS)的快速发展,新型加速度计的设计得到了人们越来越多的关注。其中,四臂压电式加速度计以其热稳定性好、信噪比高、制备工艺简单等优点成为现在压电式加速度计的研究主流^[1~3]。目前,研究的四臂压电式加速度计的基体表面是平面的,国外Deng提出了一种利用沟槽式表面提高压电式传感器压电层应变的方法^[4],本文把这种方法利用在四臂压电式加速度计上面,发现可以大幅提高加速度计的灵敏度。

　　目前,对传感器的研究多是基于试验科学的基础上的,这种方法往往需要更高的试验成本和更长的试验周期。随着计算机技术的高速发展,有些CAE软件的出现,为加速度计提供了优化设计平台。ANSYS软件由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发,是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析(FEA)软件。除此之外,ANSYS还是世界上唯一真正实现多物理场耦合分析的软件,而对压电式加速度计的分析,主要难点也就是要进行机电耦合。因此,可以利用ANSYS的耦合场分析功能对压电式加速度计进行模拟仿真,从而可以大幅降低设计成本、缩短产品的设计时间。

　　1　四臂压电式加速度计的工作原理

　　压电式加速度计有单臂,双臂和四臂等几种类型,如果只是测上下的加速度,使用四臂加速度计可以减少其他方向加速度带来的影响。每个悬臂之所以使用2个压电单元是因为悬臂形变时,左右两部份的形变是相反的,如果整个悬臂使用一个压电单元,产生的电压会相互抵消。

　　四臂压电式加速度计包含1个质量块、4条悬臂梁和8个压电单元,结构如图1所示,周边为Si基底, 4条悬臂梁支撑着中间的质量块,悬臂梁上面颜色较深的部分是沉积在悬臂梁上面的压电薄膜。当质量块受到惯性力上下移动时,压电薄膜产生形变,从而受到应力作用,应力和产生的电荷之间可用压电方程表示

　　式中　T为应力矩阵;S为应变矩阵;C为刚度矩阵; e为压电应力常数矩阵。又

　　式中　ε为介电常数矩阵;D为电荷密度矩阵;E为电场强度矩阵。

　　根据加速度计灵敏度公式

　　式中　SV为电压灵敏度;U为压电薄膜上产生的电压;¨z为加速度。

　　2　对传统四臂压电式加速度计的改进

　　传统加速度计的基底是平面的,基体表面与压电层之间是没有缝隙的,如图2(a)所示。本文采用沟槽状的基底表面图2(b)放大压电层的应力,根据式(2)、式(3),从而提高加速度计的灵敏度。