馬智康， 趙亭杰， 劉國(guó)文,2， 李兆涵， 劉 宇， 徐宇新

(1.北京航天控制儀器研究所，北京 100039； 2.浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

目前慣性導(dǎo)航系統(tǒng)向高性價(jià)比、微型化、低功耗的方向發(fā)展。慣性技術(shù)與微機(jī)電技術(shù)相結(jié)合的微機(jī)電加速度計(jì)具有小尺寸、低成本、高靈敏度的特點(diǎn)[1]，在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，因此成為下一代慣性器件的主要發(fā)展方向之一。 美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室預(yù)測(cè)，到2030年，隨著微加工技術(shù)的進(jìn)一步成熟，微機(jī)電系統(tǒng)/微光機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/MOEMS)加速度計(jì)將占據(jù)中低精度的主要市場(chǎng)。

1 微機(jī)電加速度計(jì)檢測(cè)原理

本文設(shè)計(jì)的微機(jī)電加速度計(jì)采用“三明治”電容式結(jié)構(gòu)，如圖1，與梳齒式加速度計(jì)和扭擺式加速度計(jì)相比，該結(jié)構(gòu)具有敏感質(zhì)量大、誤差源較少、精度潛力大等優(yōu)點(diǎn)[2,3]。采用半導(dǎo)體批生產(chǎn)工藝加工的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)并結(jié)合電路集成一體化技術(shù)制作的“三明治”式微機(jī)電加速度計(jì)，是一種基于撓性擺式具有再平衡回路的微機(jī)電加速度計(jì)，由固定的控制電極與可動(dòng)的檢測(cè)質(zhì)量塊構(gòu)成一對(duì)差動(dòng)可變電容。敏感質(zhì)量在外界加速度的作用下產(chǎn)生慣性力(或慣性力矩)，在Z向的位移將引起相應(yīng)電容的差動(dòng)變化，通過(guò)檢測(cè)這一微小電容變化可以反映出在Z軸方向上的加速度。

當(dāng)有加速度作用時(shí)，作為慣性質(zhì)量的加速度計(jì)敏感擺片相對(duì)于中心位置發(fā)生偏移，該偏移量由差動(dòng)電容檢測(cè)，將偏差信號(hào)輸入到伺服系統(tǒng)。偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)、放大等反饋到擺片上，此反饋電壓形成的靜電力將使原來(lái)偏離中心位置的擺片拉回到零位附近，靜電力與慣性力大小相等、方向相反，因此，加速度計(jì)閉環(huán)時(shí)[4,5]，輸出電壓也即反饋電壓，其大小與外界加速度成正比。其傳感器系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 “三明治”式微機(jī)電加速度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 “三明治”式微機(jī)電加速度計(jì)再平衡回路框圖

2 微機(jī)電加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3所示為微機(jī)電加速度計(jì)全封閉敏感元件的結(jié)構(gòu)示意圖，整體設(shè)計(jì)尺寸為4.0 mm×2.8 mm×0.98 mm，厚度方向的0.98 mm包括2層0.38 mm厚的硅片以及1層0.22 mm厚的硅片。擺結(jié)構(gòu)由質(zhì)量塊、支撐梁、鍵合框架、引線焊盤等組成，其中質(zhì)量塊有效電容面積為1.87 mm×2.16 mm。上下極板由硅襯底、二氧化硅絕緣層、電極、焊盤等組成，上下極板通過(guò)干法刻蝕工藝刻蝕完成，通過(guò)濺射金屬實(shí)現(xiàn)歐姆接觸電極。

圖3 敏感元件結(jié)構(gòu)示意

3 微機(jī)電加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)、仿真

為了確定擺結(jié)構(gòu)支撐梁的剛度以及擺結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形態(tài)，對(duì)擺結(jié)構(gòu)進(jìn)行了ANSYS模態(tài)仿真，仿真結(jié)果如圖4所示，從仿真結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)即為Z向擺動(dòng)的工作模態(tài)，模態(tài)頻率達(dá)到3 223.31 Hz，該頻率下能夠保證支撐梁的Z向剛度，使微機(jī)電加速度計(jì)在設(shè)計(jì)量程±50gn滿量程加速度輸入時(shí)，加速度計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)總剛度為正，仍為二階最小相位系統(tǒng)。理論上，該一階頻率對(duì)應(yīng)的閉環(huán)加速度計(jì)量程能夠達(dá)到±61.7gn。一階模態(tài)以外的其它模態(tài)均為干擾運(yùn)動(dòng)，須盡量抑制，表1表明，該結(jié)構(gòu)參數(shù)下的二階模態(tài)頻率是一階模態(tài)頻率的6倍以上，即拉開(kāi)了與一階模態(tài)頻率的差距，從而實(shí)現(xiàn)了工作模態(tài)和干擾模態(tài)的隔離，降低了交叉耦合。

圖4 微機(jī)電加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)五階模態(tài)仿真結(jié)果

表1 微機(jī)電加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)前五階模態(tài)仿真

該結(jié)構(gòu)參數(shù)下的基礎(chǔ)電容和重力場(chǎng)下電容值計(jì)算結(jié)果

(1)

(2)

(3)

式中C0為加速度為0gn時(shí)的基礎(chǔ)電容;C-g為1gn重力加速度作用下間隙變小一側(cè)電容值；C+g為1gn重力加速度作用下間隙變大一側(cè)電容值；ε=8.854×10-12為真空介電常數(shù)；L=2.16 mm為電容極板長(zhǎng)度；B=1.87為電容極板寬度；d=2 μm為電容間隙；Δd=0.034 μm為質(zhì)量塊在1gn重力加速度作用下的最大位移量。

根據(jù)ANSYS仿真結(jié)果，結(jié)合采用的分立電路最大預(yù)載電壓7 V，最大輸出電壓10 V，對(duì)采用全封閉敏感結(jié)構(gòu)的閉環(huán)微機(jī)電加速度計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)作出理論計(jì)算

(4)

(5)

式中amax為加速度計(jì)量程；K1為加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)；m=ρLBT為質(zhì)量塊質(zhì)量，其中ρ=2 328.9 kg/m3為硅材料密度，T=0.22 mm為質(zhì)量塊厚度；gn=9.8 m/s2為重力加速度；Vref=7 V為閉環(huán)電路預(yù)載電壓；Voutmax≈10 V為加速度計(jì)最大輸出電壓值；Km=m(2πf)2為支撐梁的等效剛度，其中f=3 223.3 Hz為擺式質(zhì)量塊一階頻率。

4 微機(jī)電加速度計(jì)封裝、測(cè)試

考慮到有效降低整表體積的需求，微機(jī)電加速度計(jì)整表布局上采用雙腔金屬管殼進(jìn)行整表組裝，上下腔體采用由玻璃絕緣子燒制的接線柱進(jìn)行線路連接，上腔體主要布局加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)芯片和載波發(fā)生電路，下腔體布局整表解調(diào)、控制及反饋電路。這樣，既可以將高頻載波信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)有效隔離，降低了信號(hào)之間的干擾，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了緊湊型的整表雙腔互連封裝，降低了整表體積。圖5為加速度計(jì)整表封裝組成及機(jī)械外廓，管殼尺寸20 mm×18 mm×9 mm，其產(chǎn)品實(shí)物如圖5所示。

圖5 加速度計(jì)封裝組成與產(chǎn)品實(shí)物

利用精密離心機(jī)對(duì)微機(jī)電加速度計(jì)樣機(jī)量程進(jìn)行測(cè)試，按±55gn測(cè)量范圍進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，0～50gn以5gn間隔遞增，50gn以上以1gn間隔遞增，離心機(jī)輸入時(shí)序和對(duì)應(yīng)輸出擬合曲線如圖6所示，從圖中可以看到，加速度計(jì)負(fù)向量程達(dá)到-55.2gn，正向量程達(dá)到53gn。該樣機(jī)達(dá)到了±53gn量程，擬合標(biāo)度因數(shù)為150.14 mV/gn，和設(shè)計(jì)預(yù)期比較一致，偏離較小，偏離主要是由理論計(jì)算時(shí)對(duì)電容間隙和質(zhì)量塊尺寸參數(shù)的估計(jì)和實(shí)際加工參數(shù)之間的偏差所致。

圖6 加速度計(jì)量程測(cè)試結(jié)果

利用溫控端齒盤，對(duì)微機(jī)電加速度計(jì)一次通電穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為：加速度計(jì)置于0gn狀態(tài)，55 ℃下保溫0.5 h，使微機(jī)電加速度計(jì)內(nèi)部達(dá)到熱平衡，然后上電1 min，開(kāi)始對(duì)加速度計(jì)輸出進(jìn)行采集，采樣頻率為1 Hz，采集1 h輸出如下圖7所示，計(jì)算得到該加速度計(jì)溫控下1 h穩(wěn)定性(1σ)為5.97×10-5gn。

圖7 加速度計(jì)1 h穩(wěn)定性輸出曲線

5 結(jié) 論

ANSYS模態(tài)仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)參數(shù)下實(shí)現(xiàn)了工作模態(tài)和干擾模態(tài)的隔離，設(shè)計(jì)雙腔金屬管殼封裝/組裝方案，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)信號(hào)的隔離和整表的高密度封裝，對(duì)該加速度計(jì)量程測(cè)試和穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：該加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)了量程設(shè)計(jì)目標(biāo)，在該量程下，實(shí)現(xiàn)了5.97×10-5gn的穩(wěn)定性指標(biāo)，后續(xù)將繼續(xù)進(jìn)行整表性能參數(shù)優(yōu)化，提升集成水平，實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品在低成本、微型化等慣性系統(tǒng)中的規(guī)模應(yīng)用。