微机械气流式加速度计敏感机理的有限元分析

　　加速度计是惯性导航、惯性制导和控制检测设备的惯性敏感器件，其输出信号与载体(飞机、导弹、汽车等)的运动加速度成比例或成一定函数关系。各式各样的加速度计运用于许多不同的领域，诸如机器人、通讯、消费电子及玩具业和机械电子设备。测量加速度主要应用压电、压阻、力平衡和电容加速度计，但是这些加速度计在结构上都需要一个悬挂的检验质量块，结构复杂，抗冲击能力差。近几年来，随着微机械加工技术和集成电路的飞速发展，根据张福学教授提出的气体摆理论^[1]，笔者设计了微机械气流式加速度计。这种加速度计的敏感质量为气体，质量轻、体积小，具有耐强振动冲击的特点，有利于大规模批量生产。

　　笔者采用有限元方法，分析了在不同加速度输入情况下，微机械气流式加速度计敏感元件内的气流速度的分布，根据不同加速度对敏感元件内流场的影响，揭示了微机械气流式加速度计的敏感机理。

　　1 结构原理

　　微机械气流式加速度计敏感元件的结构，如图1所示。微机械气流式加速度计敏感元件实际上由硅衬底和管壳构成，在硅衬底上通过微机械加工技术腐蚀出一个深槽，在深槽上方设有一个加热丝和对称分布于加热丝两侧的一对由金属薄膜热敏电阻r₁和r₂组成的悬臂梁，在硅衬底上用圆形管壳封装构成一个密闭腔体。检测电桥电路如图2 所示。当有加速度输入时，加热丝形成的温度场或流场发生变化，引起金属薄膜热敏电阻的阻值发生变化，电流改变，电桥失去平衡，输出与加速度a 相对应的电压。金属薄膜热敏电阻采用对温度敏感，在空气中不易氧化的金属铂制作。

　　2 物理模型

　　由于微机械气流式加速度计的敏感元件沿敏感轴是完全对称的，金属薄膜热敏电阻的宽度远远小于槽长，所以为了便于建模和计算，可以将敏感元件简化为二维结构，加热丝简化为点热源q，如图3 所示。

　　气体流动区域是由半圆形和梯形组成二维密闭腔体，x轴作为密闭腔体的基准线。半圆形的半径为1400μm，梯形高300μm，上底边长 2000μm，下底边长1400μm。热源的温度为473 K。在密闭腔的边界ABCDEFG上气体流速为零，边界ABC 设为不锈钢的热物理性质，AGFEDC 设为硅的热物理性质。

　　3 有限元法求解

　　ANSYS 软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，应用非常广泛。它不仅可以分析已有实体在各种物理条件下的工作状况，而且可以进行特定物理条件下的模拟设计。其分析和设计结果可以通过各种直观的图形和动画显示，使用很方便。ANSYS 软件中FLOTRANCFD分析功能是用于分析二维及三维流体流动场的先进工具^[2]。