一种谐振式微加速度计的设计

提出一种基于谐振原理、电容检测的微型加速度计。通过外加加速度使质量块经杠杆将力放大施加到谐振器上,改变谐振梁上的轴向应力,从而改变谐振梁的振动频率。研究表明这种加速度计的测量范围达66g。同时采用有限元法进行了仿真模拟,结果显示传感器灵敏度约18Hz／g,工作模态固有频率为625.981kH。

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第 2卷第3 8期 20年6 O 6月

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文章编号：0 42 7 ( 0 6 0—2 4 0 1 0—44 20 )30 9— 3

一

种谐振式微加速度计的设计 郑哜庸

( .阴工学院机械系，江苏淮安 2 30;.京航空航天大学机电工程学院 .江苏南京 2 0 1 ) i淮 2 0 1 2南 1 0 6

摘

要：出一种基于谐振原理、提电容检测的微型加速度计。通过外加加速度使质量块经杠杆将力放大施加

到谐振器上，变谐振梁上的轴向应力，而改变谐振梁的振动频率。研究表明这种加速度计的测量范围达 6 。改从 6 g

同时采用有限元法进行了仿真模拟，果显示传感器灵敏度约 1/,作模态固有频率为 6 59 1k。结 8Hz g工 2 . 8 Hz 关键词：型电子机械系统 ( E )谐振；加速度计；仿真模拟微 M MS;

中图分类号： 4 TN 0

文献标识码： A

A v lDe i n o s na e Ty c l r m e e No e sg f Re o nc pe Ac e e o t r ZH EN G i o hu1 X a- . ( . e h n c lDe a t e t o u i n I s iu e. u i n 2 3 0 Ch n 1 M c a ia p r m n fH ayi n tt t H aa 2 0 1, i a:‘

2 c o l fMe h nc l E e ti 1Na j g Un v r i f r n u i n t n u is .S h o c a i& l r a . ni ie s y o o a t sa d Asr a t .Na j g 2 0 1 . ia o a c c n t Ae c o c n i 1 0 6 Chn ) n Ab ta t A e t p f mir c e e o t r b s d o e o a c rn i l wi o a a ia c a u e wa s r c: n w y e o c o a c l r me e a e n r s n n e p i cp e t c mb c p ct n e me s r s h dic s e n t s p e . s u s d i hi ap r The f c pp id on t e o t sa p

iid t ou he lv r T h a ibl or e a t r d or e a le he r s na orwa m lfe hr gh t e e . e v ra e f c le e t xi— te s a he v br tng fe e y oft e r s he a s s r s nd t i a i r qu nc h e ona o . tw a o d h he m a m um e s e c l r ton t r I s pr ve t att xi m a ur d ac e e a i w a 6 g. hevi a e p ope t a na y e t N SYS ofw a e s 6 T br t r ry w sa l z d wih A s t r .Thesm ul er s t s l y d t a hes n iii i at e uls dip a e h tt e s tv—

t fmir—c eeo trwa b u 8 Hz ga d teih rn r q e c ft eo ea ig mo ewa 2 . 8 Hz yo c oa c lr mee sa o t1 / n h n e e tfe u n yo h p rtn d s6 5 9 1k . Ke y wor s: EM S;r on nc d M es a e;a c lr e e c ee om t r;nu e ia i u a i m rc lsm l ton

微型电子机械系统 ( MS涉及力、、、 ME )电磁

块、件、臂梁、振器和梳齿激励电极组成。谐杆悬谐振器一端固定，一端通过杆件与质量块相连。激另励电极位于谐振梁两侧，分别外加激励电压。。、 当。、大小相等、向相反时，励谐振器的两 方激

流、、光热等多个能量域的相互作用。随着器件特征尺寸缩小至微米量级时，与结构特征尺寸成低次方的力起主导作用 (静电力、如粘性力等)将导致微观， 领域的驱动、检测不同于宏观领域。静电驱动、电容 (电阻 )检测是 ME MS领域最常用的方法。但静电

个梁在 XOY平面内侧向等幅反相振动。当输入轴方向存在加速度时，量块通过杠杆将力放大施加质到谐振器上，变谐振梁上的轴向应力，而改变谐改从振梁的振动频率，因此，只要测出谐振梁的振动频率即可确定输入轴方向的加速度。

驱动的

不稳定性引起的静电一构耦合问题、测量结待数量级较低造成的测量精度问题使 ME MS的分析与检测更复杂。利用谐振原理进行物理量的检测是 ME MS传感器的重要实现手段。硅微型谐振器已

出现在多种微机电系统器件中，压力传感器和惯如性传感器中的谐振器、频器件中的天线等。谐振射式微型加速度计是在实际中应用广泛的一种新型传 感器，常用微加速度计的类型[有压阻式、 1]电容式、

热电式、谐振式等。与其他类型加速度计不同，谐振式加速度计的输出是频率信号，后续信号处理时在可省去 A/转换环节，抗干扰能力强、于将传 D其易感器与检测电路集成于同一衬底的单片系统中。 图 1加速度计

在应用中可以有多种方法实现谐振梁的振动频

率检测。如图 2所示，谐振梁的中部制作梳状在电容，当谐振梁振动时，检测连接在谐振梁上的梳状电容动齿与固定在衬底上的定齿之间的电容变化的

l基本原理 图 1为谐振式加速度计示意图，传感器由质量

收稿日期： 0 4 1— 2 20—02基金项目：防基础研究重点基金资助项目(10 E 0 )国 J 5 0 0 2作者简介：晓虎 ( 9 2,,苏涟水人，士生，要从事微机电系统及微细制造领域的研究。郑 1 7一)男江博主

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