微加速度计中新型微杠杆机构设计和分析

　　谐振式微加速度计是一种有良好发展前景的新型微加速度计. 它的基本特征是输出准数字信号的频率信号, 易于检测、抗干扰性好, 在传输和处理过程中也不易出现误差[ 1-2] , 因而, 谐振式加速度计是当前微传感器领域研究的热点之一.

　　谐振式微加速度计的工作原理是: 谐振器件( 在微系统领域, 一般为各种类型的梁或梁结构的器件,常见的有: 悬臂梁、双端固定音叉( DET F) 和三梁结构等[ 3] ) 的固有频率随其所受轴向力的变化而变化;通过测量谐振器频率的变化量来检测由加速度变化引起的轴向力( 经放大了的质量块惯性力) 的变化量, 以此来实现加速度值的测量. 　　一般情况下, 将质量块产生的惯性力经放大机构放大后再加载于谐振器上. 美国California 大学Ber keley 分校设计的基于微杠杆机构谐振式微加速度计灵敏度达到160 Hz/ gn[ 2, 4] . 在国内, 这方面的研究工作还比较落后, 例如天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室等单位联合开发的谐振式加速度计灵敏度为2 Hz/ g n[ 5] .

　　在宏观机械领域, 力放大机构的类型很多. 如:杠杆机构、凸轮机构、楔块机构、齿轮机构等. 但在微机械系统中, 由于加工和装配技术问题, 实现这些机构的设计和制造都非常困难. 在MEMS 中多用基于柔性铰链的微杠杆机构来实现力和位移的放大或缩小[ 6 ] . 在微杠杆机构中, 旋转形式的铰链被具有一定柔度的细长杆所代替, 因此其设计分析方法与传统杠杆机构是不相同的. 本文作者设计了一种新型的用于谐振式加速度计的两级放大柔性杠杆机构; 并用解析法和有限元方法对其进行了分析和优化.

　　1 加速度计的微杠杆机构设计

　　图1 所示的微杠杆机构将惯性力经两级放大后加到谐振器件) ) ) 双端固定音叉( DET F) [ 7-8] 上. 图中, 对于放大机构, 质量块产生的惯性力是系统的输入, 其输出端为加速度计的两个DETF 谐振器. 谐振器在轴向力的作用下, 其谐振频率将发生变化. 在图示方向加速度作用下, 惯性力经放大后作用在两个谐振器上, 其中一个受拉, 另一个受大小相等的压力, 组成差动机构. 受拉的DETF 固有频率将增大,而受压的DET F 固有频率将减小. 由检测电路检测出频率的变化量, 经转换或输出加速度的大小, 以此实现加速度的测量.

　　2 微杠杆机构分析

　　2. 1 第一级放大机构的理论分析

　　分析图1 加速度计的第一级微杠杆机构. 把其中的杠杆臂看成刚体, 另外, 不考虑输入端的弯矩. 其力学模型可简化成图2 所示, 图2( b) 为杠杆臂的受力图.

　　2. 2 一级微杠杆参数优化设计