电容式微机械静电伺服加速度计模型建立

0　引言

微机械加速度计是基于MEMS(微机电系统)技术的微型惯性器件,具有传统加速度计无可比拟的优点,如:微小型化和多功能化,是惯性导航加速度计的发展方向,也是未来惯性引信的核心部件。在过去10年里,硅微加速度计已经取得了较大发展,目前最具吸引力和最为成熟的是电容式静电反馈力平衡加速度计,本文针对其中较为典型和工艺上较易实现的“三明治”结构详细分析并建立了加速度计静态、动态和电模拟模型,有助于加速度计的设计和仿真。

1　加速度计基本结构及工作原理

电容式微机械静电伺服加速度计系统基本结构框图见图1。它由惯性敏感单元(亦称加速度计、惯性传感器、表头)和伺服电子线路两部分组成。

惯性敏感单元由上、中、下三层结构组成,分别为:上电极(定电极)、敏感质量块(动电极,亦称检测质量)和下电极(定电极),因形似西餐中的“三明治”(Sandwich),故而得名。其中上、下电极为玻璃且镀有一定厚度的金做为导电极板,并用特制引线导出。中间的敏感质量为单晶硅材料、多悬臂梁式设计、体微机械加工工艺制作而成。上、下固定电极和动电极(敏感质量)用静电键合工艺封装在一起,构成上下两个差动电容。伺服电子线路则主要由位移检测电路Kpos、电路增益K和静电力矩器(反馈增益为Kfjb)三部分组成。其中:位移检测电路用来检测敏感质量块的位移,为使传感器寄生电容的影响最小,采取差动电流-电压转换检测电路,其增益为Kpos。电路增益部分完成同步解调、滤波、放大功能,主要包括:乘法器、低通和放大单元,其总增益为K。静电力矩器使整个系统构成闭环伺服回路,采取同极反馈而不是差动反馈,有利于系统的稳定性,这部分增益为Kfb。

当加速度计感受到一外给加速度时,产生方向相反的惯性力使敏感质量发生纵向位移。该位移直接导致上下电容容值发生微弱差动变化,在激励电压Vdrive的驱动下(正弦高频激励、频率几百kHz～1 MHz),位移检测电路将微弱电容变化转换为同频电压变化,再经过一个同频率乘法器,电压信号变成直流和二倍频两项,再经过低通滤波器,滤除高频项,完成交流到直流的转换。直流电压经过放大后,一路直接输出,另一路经反馈单元加至敏感质量块,因此反馈电压Vfb与位移信号成正比,所生成的静电反馈力Ffb也与位移信号成正比,而方向与惯性力相反,当两力平衡时,敏感质量回到初始位置,系统达到稳态。由于闭环回路的增益很大,响应时间快,所以检测质量的位移趋于零,这就是微加速度计系统的伺服工作原理。

2　加速度计模型

2.1　静态模型