一种高精度微硅加速度计的模态分析与模拟验证.pdf

维普资讯 70 微 电子学与计算机 2003年第 4期 一 种高精度微硅加速度计的模态分析与模拟验证 Modal AnalysisandSimulation—ValidationofaHigh—ResolutionMicromechanical SiliconAccelerometer 西安微 电子技术研究所 魏海龙 单光宝 刘建朝 (西安 710054) ’ 摘 要 ：文章介绍 了一种 “轿式 ”结构高精度微硅加速度计 的总体结构 。从振动机理 出发，重点分析该加速度计 的振动模态与结构参数 的关系 。得 出了两者之间的函数关系，利用 Ansys结构分析软件对其进行 了模拟验证 。 关t词 ： “轿式 ”结构 。微硅加速度计 ，模态分析 ，有限元分析 1 引言 的精度 ，具体如下：①挠性梁与质量块一体加工 ，避 随着微机械加工工艺和集成 电路工艺水平 的 免了单纯采用体加工工艺时挠性梁与质量块所需 日益提高，微硅加速度计得到了很大的发展 ，按检 的键合工序 ，使挠性梁更扁长 ，大大降低挠性梁的 测原理可分为压阻式、谐振式、电容式等。电容式加 刚度 ；②质量块由体硅工艺获得 ，厚度突破了面加 速度计具有精度高、噪声特性好 、漂移低 、温度敏感 工工艺的局限，可达几百 ILm；③采用牺牲层技术， 性小、功耗低、结构 比较简单等优点，逐渐成为微硅 可 以使质量块与极板的间距减小到 llLm左右。 加速度传感器的发展主流。传统 的电容式微硅加速 度计 的微机械结构主要有悬臂梁式 、叉指式 、扭摆 3 模态分析 式几种，其精度一般局限在 l0 量级 l4,【1，基本上能 在优化结构尺寸时，总是希望：①加速度敏感 满足汽车工业 、通用航空、车辆控制 、高速铁路 、摄 方 向上的振动幅度大，以增加敏感位移 ，提高器件 像机等民用领域的应用需求 。本文介绍了一种新 的灵敏度；②非敏感方向上的振动幅度小 ，以减小 型电容式加速度计—— “轿式 ”加速度计 ，精度可提 对输出电容的影响．提高器件的分辨率。 高到 l0 ，基本上满足 了高精度领域的需求。 在优化 中，首先通过模态分析 ，找出尺寸参数 与结构各阶振动谐振频率的关系。根据模态分析的 2 轿“式”微硅加速度计结构与工作原理 结果 ，采用合理 的尺寸搭配 ，拉开敏感方 向振动谐 图 l为这种加速度计结构简 图．加速度 的敏感 振频率与非敏感方 向振动谐振频率 的差距 ．以实现 部分 由一个检测质量块和 8根等长 的挠性梁组成 。 增大敏感方 向振动 、抑制非敏感方向振动 的目的(根 检测质量块通过挠性梁与单晶硅基底 (固定端)相 据能量守衡定律，振动的谐振频率越高 ，振幅越小)。 连 ，并被支悬在基底 的上方。充当检测 电极之用 的 下面重点针对 “轿式”结构进行模态分析 。 多晶硅平板通过加 固肋与基底相连 ，并被等 间距㈥ 3．1 轿“式”结构挠性梁刚度计算 的 “固定”在检测质量块 的上下两面 ，与质量块形成 在 “轿式 ”结构 中，质量块相对挠性梁而言，变 差动 电容。当在 y方 向有加速度输入时，检测质量 形很小 ，可用质点来代替；质量块 比挠性梁的质量 块在惯性力 的作用下 ．沿 y方 向产生一个微小偏置 大得多，则 “轿式 ”结构等价于 4个两端 固定 、质量 △d，导致质量块与上下两极板 间电容值发生变化 ， 集 中在中点的挠性梁并联 。设质量块 的长、宽、厚分 分别设为 C。、C，通过 电容检测 电路检测出电容差 别为 、 、日．挠性梁长、宽、厚分别为 l,w、h。 AC=C广G2，便换算出加速度值 l【1。