不等基频硅微谐振式加速度计

　　硅微加速度计是一种典型的MEMS( Micro Electromechanicalsystem，微机电系统) 惯性传感器，其加工工艺与微电子加工技术兼容，可实现批量生产，具有体积小、重量轻、成本低、能耗低、可靠性高、易于智能化和数字化，可满足恶劣环境应用等特点，是当今加速度计发展的热点方向之一，有着重要的军用价值和广泛的民用前景[1]。

　　但是，随着硅微加速度计结构尺寸的极大缩小，仪表的灵敏度和分辨率大大降低，而电容检测方式受寄生效应、机械结构噪声、电路噪声等的影响较大，已基本达到了检测的极限状态，很难进一步大幅度提高测量精度[2-3]。

　　区别于一般的电容检测式加速度计，硅微谐振式加速度计通过检测谐振频率变化量获取输入加速度的大小。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。因此，这种传感器易于实现高精度测量，属于高性能器件，同时它又具有硅微惯性器件的诸多优点，使其成为新一代高精度微机械加速度计的发展方向之一。随着微机械加速度计性能的提高，其应用将会逐步渗透到中高精度的惯性导航系统、飞行器控制、战术战略武器制导、重力测量等应用领域[4]。

　　1 工作机理

　　目前，硅微谐振式加速度计一般由谐振器和质量块组成，如图1 所示。两个谐振器尺寸完全相同，对称布置，中间通过质量块相连。当有加速度作用的时候，质量块把加速度转换成惯性力，作用在谐振器上。一个谐振器受到压力，谐振频率减小，另一个谐振器受到拉力，谐振频率增大，根据谐振频率差即可求出输入加速度的大小[5-8]。

　　两个谐振器尺寸完全相同，克服了环境温度等共模误差对器件的影响。但是，当外界的加速度载荷非常小———在正负几个mgn( 1 gn = 9. 8 m/s²) 范围内时，两个谐振器产生同频振动，即两个谐振器通过同一个质量块产生模态耦合，加速度测不出来，形成测量盲区。本文对这种现象进行分析，并提出一种新型的不等基频硅微谐振式加速度计。

　　2 耦合现象分析

　　2. 1 理论分析

　　从敏感元件结构来说，硅微谐振式加速度计一般有双梁结构和单梁结构两种形式。和单梁结构相比，双梁结构在梁的末端合并，两根梁在平面内以180°相位差振动，在它们的合并端，两根梁所产生的剪切力的力矩大小相等，方向相反，相互抵消，降低了谐振器和外部的能量耦合[9-10]。但是，两个谐振器通过同一个质量块连接在一起，一个谐振器的振动通过质量块会影响到另一个谐振器的振动，如图2 所示。若谐振器1 的两个振梁相向弯曲振动，谐振器的端部会受到向右的推力，这个推力把质量块推向谐振器2，谐振器2 的端部受到压力，使谐振器2 的两个振梁做相背弯曲振动，从而形成了两个振器之间的耦合。两个谐振器通过同一个质量块所产生的这种相互作用是非常微弱的，当外界加速度载荷逐步增大时，两个谐振器之间的频差也渐渐增大，这种耦合作用就会逐渐减小直至消失。