内端固定三轴梳齿电容式加速度计

　　0 引言

　　MEMS 正处于发展时期，电容式微机械加速度计灵敏度高、温度漂移小、稳定性好、抗过载能力强、便于自检、易于实现低成本的高精度测量，是目前微机械加速度计设计的主流[1 -4]。文中提出了一种采用内部支撑梁与外部可动电极相连接，完全对称结构的新型梳齿式电容加速度计。

　　1 加速度计的结构设计

　　1. 1 整体设计

　　设计的三轴梳齿电容式加速度计由可动电极板，固定电极板，4 组支撑梁和均匀分布在可动极板四周的 4 组梳齿组成，如图1 所示。

　　该加速度计的结构特点:

　　( 1) 采用完全对称结构，折叠梁与可动电极板等厚，使结构更加稳定的同时提高了其抗过载能力。

　　( 2) 采用内端固定，外端可动电极板和梳齿的结构，在相同体积的条件下，增加了可动电极板的面积，提高了输出电容的大小。

　　( 3) 采用的是折叠梁结构，有利于提高纵向灵敏度，降低横向灵敏度。

　　1. 2 电容与交叉干扰设计

　　文中所设计的加速度计，在 x、y 方向采用梳齿阵列电容结构，在 z 方向采用平板电容结构。其中不动齿连接在锚区上，动齿与可动极板相连。当质量块在惯性力的作用发生微小位移，动齿在两不动齿之间运动，从而引起差分电容变化。加速度计的电容分布如图2 所示。

　　当x 方向有加速度变化时，c11+ c12与 c21+ c22电容间隙发生 Δx 的位移变化量，c31+ c32与 c41+ c42也将沿着x 方向有Δx的位移变化。则:

　　由式( 3) 、式( 4) 知，c31+ c32与 c41+ c42在 x 轴施加加速度前后，电容没变化，不会有输出电容。由于加速度计采用完全对称结构，同理，当有 y 轴加速度时，分析亦相同。由此可判断，在理论上 x、y 方向无相互干扰。为消除水平方向的干扰，文中设计了不对称梳齿，定齿比动齿厚。当z 方向有加速度时，动齿与定齿的位置只生相对变化，有效正对面积不变，理论上可解决水平方向对z 方向的干扰。

　　1. 3 折叠梁设计

　　折叠梁尺寸如图3 所示，其三轴向刚度为[5 -6]:

式中: GIn是两端相同矩形梁的抗扭刚度。

　　对于单一惯性质量块的三轴向加速度计，其各个方向的灵敏度保持一致或者相近是结构优化设计的重要内容，令式( 5) 、式( 6) 、式( 7) 相等，即可以求得x，y，z 轴方向刚度系数相等的条件，据此条件可优化结构设计，保证三轴方向的机械灵敏度相近。

　　2 加速度计的有限元分析

　　2. 1 基本假设及简化处理

　　在进行有限元分析时，做以下假设: