高 陽(yáng),李慶豐,陳 艷,楊貴玉,彭泳卿,金小鋒

(北京遙測(cè)技術(shù)研究所,北京 100076)

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飛行器用高精度小量程石英微加速度計(jì)研究*

高 陽(yáng),李慶豐,陳 艷,楊貴玉,彭泳卿*,金小鋒

(北京遙測(cè)技術(shù)研究所,北京 100076)

為滿足對(duì)振動(dòng)環(huán)境下10 Hz以下低頻小量程加速度信號(hào)的高精度測(cè)量需求,提出了一種基于石英微工藝的新型窄帶寬MEMS加速度計(jì),其敏感元件采用變間距式差分電容梳齒結(jié)構(gòu)。采用有限元分析手段,對(duì)敏感元件質(zhì)量塊尺寸、梳齒長(zhǎng)度、U型梁剛度、蓋板結(jié)構(gòu)、阻尼和帶寬等參數(shù)進(jìn)行了綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。敏感元件采用石英晶片經(jīng)濕法腐蝕體工藝制作,加速度計(jì)樣機(jī)經(jīng)過(guò)了實(shí)際性能測(cè)試和環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn),帶寬為8.9 Hz,非線性度約為0.7%,可以滿足飛行器小量程低頻加速度參數(shù)的測(cè)量需求。

石英加速度計(jì);微機(jī)電系統(tǒng);梳齒電容;窄帶寬;有限元分析

微機(jī)械加速度計(jì)的研究與開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)六七十年代,隨著微加工技術(shù)的不斷成熟,具有尺寸小、重量輕、高性能、批量生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)的MEMS加速度計(jì)已在航空航天、汽車工業(yè)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。根據(jù)所采用的測(cè)量原理,微加速度計(jì)可分為電容式、壓阻式、壓電式、隧道電流式、諧振式和熱電偶式等,其中電容式微加速度計(jì)以其功耗低、靈敏度高、穩(wěn)定性好、抗過(guò)載能力強(qiáng)的特點(diǎn),已成為當(dāng)今微加速度計(jì)設(shè)計(jì)的主流[3]。

自1977年美國(guó)Stanford大學(xué)在世界上首先采用微加工技術(shù)制造出第1種硅加速度計(jì)開(kāi)始[1],硅微加速度計(jì)產(chǎn)品經(jīng)歷了30余年的研究與發(fā)展,已經(jīng)形成了廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。目前較為成熟的電容式硅微加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)主要有三明治式、梳齒式、扭擺式等。美國(guó)AD公司于1989年開(kāi)始硅梳齒電容式微加速度計(jì)的研究,1993年正式推出了針對(duì)汽車安全氣囊應(yīng)用的ADXL50型加速度計(jì),現(xiàn)在其ADXL系列硅微加速度計(jì)已經(jīng)成為了市場(chǎng)上最具代表性的器件[4]。近年來(lái),硅微加速度計(jì)產(chǎn)品正向高精度方向發(fā)展。瑞士Colibrys公司的Zwahlen等提出了一款導(dǎo)航級(jí)的電容式硅微加速度計(jì),其采用三明治式結(jié)構(gòu),量程為11.7gn,帶寬300 Hz,可耐最高4 000gn的沖擊[5]。北京大學(xué)的Wang J等提出的一種梳齒電容式硅微加速度計(jì),其在量程±1gn時(shí)靈敏度為172.5 mV/gn,帶寬400 Hz[6]。在軍事領(lǐng)域,加速度計(jì)自面世以來(lái)一直作為最重要的慣性儀表之一,被稱為慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的心臟。

高速飛行器在再入大氣過(guò)程中,氣壓低,耗能少;高空風(fēng)速較大,環(huán)境惡劣,受到的強(qiáng)風(fēng)干擾嚴(yán)重,其加速度信號(hào)具有處于高振動(dòng)環(huán)境下低頻小量級(jí)的特點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行高精度測(cè)量在高速飛行器的氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)過(guò)程中具有重要意義[7]。但經(jīng)測(cè)試,目前可獲取的硅微加速度計(jì)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中大多追求高帶寬的特點(diǎn),尚無(wú)法同時(shí)滿足該振動(dòng)環(huán)境應(yīng)用場(chǎng)合的帶寬、全溫精度及振動(dòng)整流誤差的指標(biāo)要求。針對(duì)這種應(yīng)用背景下被測(cè)信號(hào)頻率很低,且伴隨著外部環(huán)境劇烈變動(dòng)的特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了一種基于石英微工藝的新型窄帶寬梳齒電容式微加速度計(jì),與硅材料相比,石英材料具有工藝簡(jiǎn)單、溫度特性好、機(jī)械性能高的優(yōu)點(diǎn)[8],尤其在振動(dòng)環(huán)境中小量程加速度信號(hào)測(cè)量的背景下具有優(yōu)勢(shì)。窄測(cè)量帶寬既保證了有效信號(hào)的測(cè)量,又能對(duì)環(huán)境振動(dòng)背景起到抑制作用。

1 加速度計(jì)的數(shù)學(xué)模型及檢測(cè)原理

加速度計(jì)的機(jī)械部分可以等效為一個(gè)二階振動(dòng)系統(tǒng)[9],敏感質(zhì)量塊通過(guò)彈性支撐梁和阻尼器與外部固定部分相連,在工作時(shí)受彈性力、阻尼力及慣性力共同作用。通過(guò)對(duì)質(zhì)量塊列寫(xiě)力平衡微分方程,當(dāng)工作頻率很低即近似穩(wěn)態(tài)時(shí),可得質(zhì)量塊位移x與輸入加速度a間近有似線性關(guān)系:

(1)

式中:M為質(zhì)量塊質(zhì)量,k為彈性梁彈性系數(shù),ωn為固有頻率。比值M/k決定了加速度計(jì)的檢測(cè)靈敏度,通常稱為加速度計(jì)的標(biāo)度因子。該量與固有頻率的平方成反比,降低系統(tǒng)的固有頻率,能同時(shí)提高加速度計(jì)的檢測(cè)靈敏度與降低系統(tǒng)帶寬。

加速度計(jì)的電學(xué)部分主要由差分電容組成,按照外界慣性力引起電容變化形式分類,可分為變間距式及變正對(duì)面積式。本文設(shè)計(jì)的敏感元件為變間距式,其結(jié)構(gòu)示意圖及等效電學(xué)模型如圖1所示。中心敏感質(zhì)量塊上的活動(dòng)電極與兩側(cè)的固定電極分別構(gòu)成差分梳齒電容C1、C2與C3、C4。

圖1 敏感元件結(jié)構(gòu)示意圖及等效電學(xué)模型

當(dāng)輸入加速度為零時(shí),動(dòng)極板處于平衡位置,兩差分電容間距分別為d0及md0,其中m為梳齒間隙寬窄比例因子。當(dāng)有外界輸入加速度a時(shí),質(zhì)量塊位移x會(huì)引起差分電容的變化。本文應(yīng)用石英材料加工敏感元件,z切石英梳齒腐蝕的側(cè)面一個(gè)方向不是垂直的截面,如圖2所示,若晶片厚度為T,間隙寬度為g,腐蝕側(cè)棱到邊緣的垂直距離為h,其電容值應(yīng)以下式計(jì)算:

(2)

圖2 石英梳齒側(cè)面圖

當(dāng)有位移x發(fā)生時(shí),差分電容為:

ΔC=(C1+C4)-(C2+C3)=

(3)

由于x?d0,故略去高次項(xiàng),保留線性主項(xiàng)后,可得電容改變量與位移間的關(guān)系:

(4)

代入式(1)(2),可得傳感器的電容靈敏度為:

(5)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

在微電容式加速度計(jì)中,一般通過(guò)微機(jī)械結(jié)構(gòu)檢測(cè)電容的變化量測(cè)量加速度的大小,達(dá)到非電量電測(cè)的目的。由于微機(jī)械尺寸很小,在使用中微弱的電容量經(jīng)常被干擾噪聲淹沒(méi),采用差動(dòng)測(cè)量方式可以使在相同環(huán)境下受到的干擾噪聲抵消,極大提升信噪比[10]。梳齒電容的結(jié)構(gòu)可分為定齒均置結(jié)構(gòu)和定齒偏置結(jié)構(gòu),二者的區(qū)別在于動(dòng)齒與兩側(cè)定齒間距離配置是否相等,前者是等距離結(jié)構(gòu),后者是不等距離結(jié)構(gòu)。對(duì)于定齒均勻配置的結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)鍵合面小,鍵合塊較多,鍵合強(qiáng)度較弱,鍵合難度大,適用于表面加工的方式;而對(duì)于定齒非均勻配置的結(jié)構(gòu),其鍵合強(qiáng)度高、面積大、難度低,鍵合接觸電阻小而均勻,成品率高[11]。本文設(shè)計(jì)了一種基于石英體工藝的定齒偏置型變間距式敏感元件,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 敏感元件結(jié)構(gòu)

圖4 敏感元件前4階模態(tài)振型

為獲取10Hz左右的窄帶寬以及較高的信噪比,加速度計(jì)需要大的工作阻尼,故敏感元件采用了較大的中心質(zhì)量塊、較長(zhǎng)的梳齒和較小的齒間距,并設(shè)計(jì)了上下蓋板結(jié)構(gòu),以在兩動(dòng)齒與定齒間獲得比較大的壓膜阻尼。在靜齒的框架上設(shè)計(jì)了限位器,以防止傳感器受過(guò)大載荷作用時(shí)梁發(fā)生過(guò)大形變而造成傳感器損壞。MEMS器件設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的彈性梁結(jié)構(gòu)有固支直形梁、L形折疊梁、U形折疊梁、蛇形折疊梁等[12]。在各形式中,U型梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,檢測(cè)模態(tài)剛度小而在其他方向剛度大,交叉耦合影響小,具有應(yīng)力釋放作用,對(duì)于需要二階及二階以上模態(tài)頻率遠(yuǎn)大于檢測(cè)模態(tài)的頻率值的敏感元件來(lái)說(shuō),U型梁的綜合性能較好,振幅適中,易于滿足要求。在工藝參數(shù)的制約下,通過(guò)對(duì)加速度計(jì)結(jié)構(gòu)諸參數(shù)進(jìn)行仿真與綜合,得到優(yōu)化后的加速度計(jì)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)參數(shù),建立了敏感元件的結(jié)構(gòu)模型。

采用有限元方法,利用有限元仿真軟件對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)仿真分析。對(duì)于單軸加速度計(jì),一階模態(tài)為質(zhì)量塊沿敏感運(yùn)動(dòng)方向的振動(dòng)模態(tài),而第2、第3等更高階模態(tài)是其他非敏感振動(dòng)模態(tài),為了保證加速度計(jì)的精度,一般要根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果采用合理的尺寸搭配,使敏感模態(tài)固有頻率與非敏感模態(tài)固有頻率盡量大地分離,以減小交叉軸干擾。本模型采用石英材料,固定梳齒與可動(dòng)梳齒交替非對(duì)稱分布在質(zhì)量塊兩側(cè),兩端采用U型懸臂梁帶動(dòng)敏感質(zhì)量運(yùn)動(dòng)。利用有限元仿真軟件對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)仿真,列出前6階模態(tài)固有頻率數(shù)值見(jiàn)表1所示,前4階模態(tài)的振型圖如圖4所示。

表1 敏感元件前6階模態(tài)固有頻率數(shù)值

仿真顯示第1階模態(tài)為216.84 Hz,第2階模態(tài)與工作模態(tài)間隔大于1.8 kHz,可有效避免模態(tài)干擾。除模態(tài)分析外,還對(duì)設(shè)計(jì)的敏感元件進(jìn)行了各軸抗過(guò)載應(yīng)力分析及不同阻尼下的隨機(jī)振動(dòng)分析,仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的敏感元件符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 腐蝕的梳齒結(jié)構(gòu)

3 工藝制作

微加速度計(jì)敏感元件采用石英濕法腐蝕體工藝進(jìn)行制作,整個(gè)敏感結(jié)構(gòu)即靜齒與動(dòng)齒同步制備。梳齒側(cè)壁通過(guò)蒸鍍金屬電極膜層作為平板電極,上下蓋板結(jié)構(gòu)采用石英材料金-金鍵合工藝制作。其工藝流程如圖5所示,腐蝕出的梳齒結(jié)構(gòu)及最終制備的敏感元件如圖6和圖7所示。

圖5 敏感元件工藝流程

圖7 制作的敏感元件

4 性能測(cè)試

采用環(huán)形二極管式C-V轉(zhuǎn)換電路[13],搭建原理樣機(jī)對(duì)敏感元件的性能進(jìn)行了測(cè)試。

4.1 頻響實(shí)驗(yàn)

4.1.1 振動(dòng)激勵(lì)

將元件封裝并與電路連接后利用水平振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行區(qū)間為(1 Hz,200 Hz)的頻響實(shí)驗(yàn),擬合曲線結(jié)果如圖8所示,擬合數(shù)值見(jiàn)表2。從掃頻結(jié)果可見(jiàn)其工作帶寬(-5%帶寬)小于10 Hz,處于過(guò)阻尼狀態(tài),符合窄帶寬的應(yīng)用要求,且固有頻率測(cè)試值215.4 Hz與有限元分析結(jié)果216.84 Hz相接近。

圖8 原理樣機(jī)幅頻曲線

固有頻率/Hz阻尼比工作帶寬(-5%)/Hz215．43．28．9

4.1.2 電激勵(lì)

為了確定上下蓋板的過(guò)阻尼設(shè)計(jì),采用安捷倫信號(hào)發(fā)生器配合反相器電路輸出兩路幅值相等相位相反的正弦掃頻信號(hào)送入兩側(cè)定齒,在動(dòng)齒加載預(yù)載電壓,產(chǎn)生的靜電力將使敏感元件動(dòng)齒發(fā)生運(yùn)動(dòng),即以電激勵(lì)信號(hào)模擬了加速度信號(hào)輸入。將樣機(jī)的輸出信號(hào)與作為輸入信號(hào)的交流掃頻信號(hào)相比較,即可得到樣機(jī)的頻率響應(yīng)曲線。對(duì)樣機(jī)分別進(jìn)行0.101 MPa氮?dú)夥庋b及抽真空后的電激勵(lì)頻響實(shí)驗(yàn),其幅頻曲線如圖9所示。

圖9 0.101 MPa封裝及抽真空后幅頻曲線

可見(jiàn)元件在0.101 MPa下電激勵(lì)掃描的結(jié)果(圖9(a))與在水平軸上振動(dòng)測(cè)試結(jié)果(圖9(b))基本接近,工作帶寬小于10 Hz;而在真空腔室中,幅頻曲線在210 Hz左右明顯有一個(gè)諧振峰,故敏感元件在0.101 MPa封裝下工作在過(guò)阻尼狀態(tài)。

用同樣的電激勵(lì)方法,對(duì)另外一個(gè)敏感模態(tài)設(shè)計(jì)值為344 Hz的敏感元件樣機(jī)做有無(wú)蓋板的對(duì)比頻響實(shí)驗(yàn),幅頻曲線如圖10所示。

圖10 有無(wú)蓋板幅頻曲線對(duì)比

從圖中可以看出該元件無(wú)蓋板時(shí)在激勵(lì)信號(hào)頻率為350 Hz時(shí)有一個(gè)諧振峰,阻尼比小于0.7;而在有蓋板時(shí)在掃描區(qū)間內(nèi)未見(jiàn)諧振峰,且自10 Hz始輸出一直處于衰減狀態(tài),阻尼比大于3。可知由于蓋板的引入,使敏感元件的阻尼比從欠阻尼狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱诉^(guò)阻尼狀態(tài),帶寬由200 Hz減小為10 Hz以下,達(dá)到了縮減帶寬的目的。

4.2 輸出線性度實(shí)驗(yàn)

將原理樣機(jī)固定在分度頭上,旋轉(zhuǎn)分度頭進(jìn)行測(cè)試,利用安捷倫16位數(shù)采卡U2355A采集輸出數(shù)據(jù),采樣頻率為1 ksample/s,每10°采數(shù)一次,每個(gè)角度采樣70s,線性度輸出曲線如圖11所示。測(cè)試結(jié)果線性度較好,±1gn量程時(shí)非線性度為0.7%,靈敏度為4.48 V/gn。

圖11 原理樣機(jī)線性度輸出曲線

4.3 零位穩(wěn)定性測(cè)試

對(duì)樣機(jī)的零位輸出進(jìn)行采數(shù),采樣頻率為1 ksample/s,零位輸出數(shù)據(jù)如圖12所示,樣機(jī)零位穩(wěn)定性約25.7 μgn。由于測(cè)試電路未進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,且樣機(jī)未放入恒溫箱中,如果引入溫度補(bǔ)償及參數(shù)優(yōu)化,其零位穩(wěn)定性及非線性參數(shù)應(yīng)還會(huì)有一定的提高。

圖12 原理樣機(jī)零位輸出曲線

圖13 50 μgn分辨率測(cè)試結(jié)果

4.4 分辨率及閾值測(cè)試

對(duì)樣機(jī)的分辨率及閾值進(jìn)行測(cè)試,分度頭增加角為10″,對(duì)應(yīng)的加速度增量為48.5 μgn,數(shù)采卡打開(kāi)點(diǎn)平均,采集時(shí)間30 s,樣機(jī)輸出增量曲線如圖13所示。

各次測(cè)試得到的輸出增量測(cè)試值與理論值的比值均在允許誤差范圍內(nèi),可以確定元件能夠?qū)崿F(xiàn)50 μgn的分辨率測(cè)量。再將分度頭在0°、10″、-10″循環(huán)測(cè)試,其閾值輸出曲線如圖14所示,其在50 μgn閾值時(shí)滿足要求。

圖14 50 μgn閾值測(cè)試結(jié)果

4.5 環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證樣機(jī)在沖擊振動(dòng)環(huán)境下的工作情況,進(jìn)行了環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)。利用跌落臺(tái)對(duì)敏感元件進(jìn)行了跌落實(shí)驗(yàn),敏感元件分別沿x、y、z向固定在跌落架上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在各方向的實(shí)驗(yàn)中,跌落臺(tái)提供2 000gn沖擊時(shí)梁均未發(fā)生斷裂現(xiàn)象。利用振動(dòng)臺(tái)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了3方向隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn),振動(dòng)頻率20 Hz～2 000 Hz,均方根值6gn,實(shí)驗(yàn)中樣機(jī)可以正確工作。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種變間距式石英梳齒電容微加速度計(jì),具有窄帶寬、小量程、大阻尼的特點(diǎn),采用石英材料濕法腐蝕體工藝制作了樣機(jī),樣機(jī)實(shí)測(cè)性能參數(shù)為:工作帶寬小于10 Hz,量程±1gn,分辨率50 μgn,非線性度約為0.7%,靈敏度為4.48 V/gn,零位穩(wěn)定性約25.7 μgn。同時(shí)樣機(jī)通過(guò)環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試,可以滿足強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下低頻小量程加速度的高精度測(cè)量要求。

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高 陽(yáng)(1989-),男,漢族,碩士研究生,主要從事MEMS電容式傳感器方面研究,gyceltics@126.com;

李慶豐(1982-),男,漢族,博士,工程師,主要從事先進(jìn)傳感技術(shù)、諧振式傳感器、MEMS電容式傳感器等方面的研究,cheer20042005@126.com;

陳 艷(1977-),女,漢族,碩士,高級(jí)工程師,主要從事石英微機(jī)械傳感器方面研究,36345967@qq.com;

彭泳卿(1980-),男,漢族,博士,高級(jí)工程師,美國(guó)西密西根大學(xué)機(jī)械與航空工程系畢業(yè),主要從事航天特種傳感器與傳感系統(tǒng)技術(shù)等研究,現(xiàn)為中國(guó)航天科技集團(tuán)學(xué)術(shù)帶頭人,發(fā)表中英文科技論文30余篇,國(guó)家專利5項(xiàng),yongqing.peng@gmail.com。

Study of a High Precision Low-gnQuartz MEMSAccelerometer for Aircraft*

GAOYang,LIQingfeng,CHENYan,YANGGuiyu,PENGYongqing*,JINXiaofeng

(Beijing Research Institute of Telemetry,Beijing 100076,China)

To fulfill the high precision measuring requirement of minor acceleration signals which are lower than 10 Hz in high vibration environment,a novel quartz micro-machined accelerometer is presented,which detecting part has a comb finger symmetry structure and differential capacitance varies with the distances between detecting electrodes. The parameters including mass size,comb finger length,elastic beam stiffness,cover structure,air damp and bandwidth are synthetically designed and optimized with finite element analysis. The accelerometer is fabricated with α-quartz crystal on the base of bulk wet etching micromachining technique. The principle prototype was tested to observe its actual capability and environment adaptability. Testing results shows that the accelerometer has an 8.9 Hz bandwidth and a 0.7% nonlinearity,and can suffice the measurement of the low-gnand low-frequency acceleration parameters for aircraft.

quartz accelerometer;MEMS;comb capacitors;low bandwidth;FEA

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)防科技預(yù)研項(xiàng)目(A0320133006)

2014-10-13 修改日期:2015-02-31

C:7320E;7230M;2575

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.06.003

TP212.1;TM938.82

A

1004-1699(2015)06-0792-06