声表面波加速度计中压膜阻尼技术的研究

　　0　引　言

　　随着各行业对加速度计性能要求的不断提高,声表面波(SAW)加速度计以其独特优势引起了人们的注意。这些优势主要有:(1)直接输出数字量,易于与计算机接口;(2)高准确度、高灵敏度、高分辨力;(3)可靠性高、抗干扰能力强;(4)易于实现无线测量;(5)体积小、质量轻、功耗低;(6)适于大批量生产,成本低;(7)结构工艺好,易于与其它功能电路结合形成单片多功能化的“智能传感器”[1]。

　　压膜阻尼是一种特殊的气体阻尼。传统的气体阻尼一般是利用活塞来挤压气体,气体的粘滞性和可压缩性会对活塞产生阻尼力。随着微机械加工技术的发展,物体间的距离可以做得越来越小,微米级、甚至纳米级的间隙已成为可能。当微间隙的宽度与该间隙中气体分子的平均自由程相当时,这种阻尼就称为压膜阻尼。

　　本文通过对SAW加速度计施加压膜阻尼来提高其动态性能,并利用计算机仿真,定性、定量的分析了压膜阻尼对加速度计性能的影响。

　　1　SAW波加速度计工作原理

　　图1为悬臂梁式加速度计的结构图。采用光刻法在悬臂梁的上下两侧制作双端对SAW器件(延迟线或谐振器),并形成差动结构,以减小温度影响,并抑止其它共模干扰。自由端同一惯性质量块相连,当载体具有加速度时。由于质量块的惯性作用,使谐振器区域产生表面应力,从而使梁变形,改变SAW的波速和波长,导致谐振器的中心频率变化,通过测量频率即可实现对加速度的测量。

　　梁-质量块结构在受外力作用下的运动类似于有阻尼的弹簧-质量块系统,存在一定的共振频率。当加速度计具有较高的Q值时,如不人为的增加阻尼,器件极易因共振而损坏,使用频率也只能达固有频率的30 %左右。而在适当的阻尼条件下,器件的工作频率可达固有频率的90 %[2],瞬态特性也可大大改善。这说明阻尼的设计与实现是加速度计实用化的关键技术之一。

　　2　SAW加速度计中压膜阻尼的研究

　　2.1　压膜阻尼对SAW加速度计性能的影响

　　图2为完整的SAW加速度计的等效电路模型。该电路模型的适用条件为气压变化量相对于静压很小。当两极板的结构尺寸及它们之间的距离确定以后,当质量块位移x很小时,压膜阻尼受两个因素的影响———静压和有效粘性系数。以下采用电路仿真分析软件APLAC 7.80学生版对SAW加速度计及其压膜阻尼进行仿真分析[3]。

　　(1)当气体为连续流体,即气体的努森数Kn<0.01时,可认为为常数[4]。此时,由加速度计的频域和时域响应的仿真曲线可知,不同气压pa下的响应曲线均重合,即连续流体气压的变化对系统性能无影响。而且,此时系统截止频率和响应速度都很低。故不考虑采用连续流体作为阻尼物质。