摘 要: 提出一种双轴电容式微机械加速度计的结构形式. 采用一个质量块敏感两个正交方向的加速度, 设计的弹性支撑结构巧妙地实现了正交方向的解耦, 且结构稳定性好, 以梳齿电容实现差动的静电驱动、电容检测. 利用MATLAB 软件对敏感结构参数、性能参数进行了计算、分析, 用ANSYS 仿真软件对敏感结构进行了静态和模态分析, 从理论上验证了所提出的双轴电容式微机械加速度计整体结构的可行性.
关键词: 微机电系统; 微机械加速度计; 有限元分析
MEMS 正处于发展时期, 其技术和市场都尚未成熟, 但孕育的广阔发展前景、巨大的社会、经济效益是世人共知的, 微机械加速度计是其中最成功的代表之一, 广泛应用于航空航天、汽车电子[ 1] 、工业检测等领域. 微机械加速度计的研究始于20 世纪70 年代初, 并在80 年代末形成单轴微机械加速度计产品, 90 年代末出现了多轴的微机械加速度计[ 2] , 市场上最具有代表性的是美国AD 公司ADXL 系列微机械加速度计. 微机械加速度计发展很快, 有压阻式、电容式、压电式、力平衡式、热对流式、谐振式和隧道电流式等多种形式.与诸多形式相比, 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[3-4] . 电容式微机械加速度计在国外发展较为成熟, 并成功产业化, 在国内还处于实验室样机阶段, 距产业化还有一定的距离. 现有的微机械加速度计产品大都是中低精度的, 测量精度还不能达到惯性级的要求, 严重限制了其应用范围, 只是较多地应用在精度要求不高的商用领域. 微机械加速度计产品多是单轴的,而实际应用中常常需要双轴或三轴加速度计来测量加速度矢量, 公开的文献中大多是对单轴加速度计的研究, 多轴加速度计的研究报道较少. 目前微机械加速度计的研究方向主要集中于高精度、多轴集成和数字化输出方面, 提高加速度计性能就是要实现多轴的高灵敏度、低噪声、低漂移和大动态范围的测量. 双轴电容式微机械加速度计有三种构成形式: 其一是将两只单轴微机械加速度计正交地封装在一起; 其二是将两个单轴加速度计正交地制作于同一硅片上; 其三是采用一体化设计, 用一个质量块实现二维加速度测量. 前两种形式的加速度计装配困难、稳定性差、精度低、体积大、成本高, 第三种形式的加速度计体积小、重量轻、精度高. 本文设计的双轴电容式微机械加速度计属于第三种形式, 它能够实现高精度的二维加速度测量.
1 结构方案
电容式微机械加速度计的工作原理是: 首先通过敏感质量将加速度转化为惯性力, 惯性力使敏感质量发生位移, 由电容测得的位移量推算出加速度.同时, 为了提高测试精度、减少微机械加速度计的非线性, 采用静电力反馈构成力平衡式闭环系统, 使质量块工作在0 位平衡位置.
根据上述工作原理设计的双轴电容式微机械加速度计的结构形式如图1 所示, 它包括基片( 1)、质量块(2) 、弹性支撑( 11、12、21、22、31、32、41、42)、驱动电极和检测电极( 13、14、23、24、33、34、43、44) 、齿枢和止挡部分. 结构为中心对称图形, 通过一个质量块敏感两个正交方向的加速度, 质量块居于结构的中心, 质量块外围是弹性支撑、止挡、驱动电极和检测电极. 设计的弹性支撑较好地实现了正交方向的解耦, 使两个方向的灵敏度、分辨率都较高. 弹性支撑是以正方形的四个角为锚点, 其结构稳定性好. 设计的止挡结构可防止在较强的冲击下弹性支撑结构断裂, 可以有效地实现过载保护. 以梳齿电容的形式实现差动的静电驱动、电容检测, 使加速度计有效地消除共模干扰, 提高加速度计的灵敏度和分辨率. 设计的结构易于实现高精度的二维加速度测量.
图1 中, 当有y 方向的加速度计输入时, 质量块( 2) 承受y 方向的惯性力, 弹性支撑发生y 方向形变, 电容的活动极板( 24、44 等) 与质量块固连, 随质量块一起发生y 方向的位移, 使电容活动极板( 24、44 等) 与固定极板( 23、43 等) 之间的间距发生变化,通过测量电容的变化推知y 方向的被测加速度. 被测信息反馈为驱动电极极板上的电压, 控制作用在电容活动极板上的静电力, 使静电力和惯性力相平衡, 于是质量块就工作在y 方向的0 位移平衡位置;当有x 方向的加速度计输入时, 质量块承受x 方向的惯性力, 弹性支撑发生x 方向形变, 电容活动极板( 14, 34 等) 与质量块固连, 随质量块一起发生x方向的位移, 使活动极板( 14, 34 等) 与固定极板( 13, 33 等) 之间的间距发生变化, 通过测量电容的变化推知x 方向的被测加速度. 被测信息反馈为驱动电极极板上的电压, 控制作用在电容活动极板上的静电力, 使静电力和惯性力相平衡, 于是质量块就工作在x 方向的0 位移平衡位置.
2 结构参数、性能参数的计算
从加速度计的性能指标、加工工艺、力学约束、运动学约束四方面来确定结构参数, 主要考虑解耦、量程、灵敏度、分辨率和工作频带等的要求[ 5-6] , 加工工艺主要考虑在现有的加工条件下可实现的弹性梁参数、深宽比和加工误差, 力学约束保证折叠梁不发生破坏,运动学约束保证结构中运动部分的活动空间及限止其活动范围在pul-l in 阈值[ 7-8] 内. 按照上述要求, 针对图1的结构形式, 用MATLAB 软件进行了结构尺寸的计算和器件性能指标的分析. 确定敏感结构参数为: 外形尺寸1506 um x 1506 um x 60 um , 质量块为700 um x 700 um x 60 um , 双端固支梁为735 um x 3 um x 60 um , 悬臂梁为250 um x 3 um x 60 um , 驱动梳齿6 对, 检测梳齿34 对, 梳齿的尺寸3 um x 300 um x 60 um , 梳齿间隙3 Lm . 性能指标为: 量程± 5 gn , 分辨率20 ugn , 灵敏度7. 5 mV/ gn , 两个正交方向的敏感结构频率为2463 Hz.
3 有限元分析
采用有限元方法, 用ANSYS软件对上述结构进行仿真. 首先建立加速度计的ANSYS 模型, 选用20 节点的solid95 单元, 进行了结构的静态分析和模态分析. 从结构的应力分布图和变形图可知, 最大应力发生在悬臂梁与质量块的连接处, 最大应力值为2. 279 MPa, 满量程的位移输出为0. 205 Lm , 可见, 应力和变形满足设计的要求. 由模态分析得到的结构四阶模态如图2、图3、图4、图5 所示, 为了便于看清楚弹性支撑的变形, 图中的变形量为放大显示, 一阶模态为2463 Hz, 二阶模态为2463 Hz, 三阶模态为5895 Hz, 四阶模态为43399 Hz. 可知: 敏感结构的两个正交方向的工作模态分别为第一阶模态和第二阶模态, 且工作模态与其它模态相差很大, 模态间交叉耦合很小, 其它模态对工作模态的干扰非常小.
4 结 论
文中提出了一种双轴电容式微机械加速度计的结构, 进行了敏感结构参数、性能参数的计算和静态分析、模态分析, 实现的性能指标为: 量程± 5 gn , 分辨率20 Lgn , 灵敏度7. 5m V/ gn , 两个正交方向的谐振频率为2463 Hz. 从理论上验证了提出的整体结构的可行性, 为多轴微机械加速度计的设计提供了参考.
参考文献:
[ 1] Kruager S, Grace R. New Changes For Microsyst ems- Technol ogyin Aut omotive Applicat ions[ J] . MST News 2001( 1) : 4-7.
[ 2] Eloy J C, Rouss el P. St atu s of the inert ial MEM S-Based Sensorsin the Aut omot ive[ R] . Yple Development France 2002.
[ 3] 吉训生, 王寿荣. 电容式硅微机械加速度计系统的特性研究[ J] . 宇航学报, 2005, 26( 4) : 446-449 [ JI Xun- shen, WANGSh ou- ron . Analysis of C haract erist ics on CaPACiti ve Sil icon M-icro- acceleromet er S yst em[ J ] . J ou rnal of As t ron aut ics, 2005,26( 4) : 446-449]
[ 4] Yu J yh-chen g, Lan Chin-bing. Syst em Model ing of Microaccelerometer Usin g Piez oelect ric Thin Film[ J ] . Sensors and Actuators A, 2001, 88: 178-186.
[ 5] 吴天准, 董景新等. 梳齿式微加速度计闭环系统性能的分析与优化[ J] . 仪器仪表学报, 2006, 27( 3) : 285-289 [ Wu T ianzhun ,Dong Jin gxin, et c. Anal ysis and Optim izat ion f or Perf ormanceof a Mul t-i Finger M icro- Accelerom et er[ J] . C hines e Journal ofSci ent if ic In st rument , 2006, 27( 3) : 285-289]
[ 6] 秦君华, 董景新. 一种叉齿式微硅加速度计的设计与分析[ J] .宇航学报, 2002, 23( 1) : 83-86 [ QTN Jun- hua, TONG Jing-xin.Design and Analysis of a Mult i Finger MicromechaNIcal Silicon Accelerometer[J] . Journal of Ast ronaut ics, 2002, 23( 1) : 83-86]
[ 7] St ephen D. S enturia. Microsyst em Design[ M] . Bost on: KluwerAcadem ic Press, 2003.
[ 8] 田文超, 贾建援. MEMS 微梁粘附"突陷" 静力分析[ J] . 机械科学与技术, 2005, 24(1) : 48-50
