Si微电容式加速度计动态参数的提取

Si 微电容式加速度计动态参数的提取

郑　锋,卞玉民

(中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄　050051)

摘要:介绍了一种电容式微Si 加速度计的基本结构以及静电激振法用于电容加速度计动态参数测试的基本原理。提出了在开环条件下,采用静电激振法对该类型电容加速度计动态参数测试的电路方案。通过分析获得了扫频特性曲线和阶跃响应曲线,得到了传感器的固有频率、阻尼比。试验结果表明,采用静电激振法得到的结果与传感器设计值比较接近。可以认为,开发的动态参数测试系统是快速且有效的。

关键词:静电激励;微机电系统;加速度计;电容;动态参数

中图分类号:T H 703;T H 824.4　文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2008)08-0462-04

Extraction of Dynamic Parameters on C apacitance

Silicon Micro 2Accelerometer

Zheng Feng ,Bian Yumin

(T he 13th Research I nstitute ,C E TC,shi j iaz huang 050051,China )

Abstract :The basic st ruct ure of t he capacitive accelerometer and t he basic principle of elect ro 2static excitation were int roduced ,t hat used to determine t he dynamic parameters of t he micro 2elect romechanical system (M EMS )capacitance accelerometer A brief system wit h t he elect rostat 2ic excitatio n under t he open 2loop condition was presented.The resonant f requency and damp rati 2o were o btained by analyzing t he sweep f requency curve and step response curve of t he sensor.The exp rement result s show t hat t he dynamic parameters obtained by t he elect rostatic act uating vibration met hod are clo se to t he design values of t he sensor ,and t he system is fast and effective.

K ey w ords :electrostatic excitation ;M EMS (microelectromechanical system );accelerometer ;capacitance ;dynamic parameter EEACC :2575D

0　引　言

Si 电容式加速度计是加速度计向微型化发展

的研究方向之一。90年代以后,随着微电子技术和M EMS 加工技术的发展,出现了一系列基于Si 材料的电容式加速度计。典型产品如AD 公司

ADXL 系列和恩德福克公司7290系列微Si 加速度

计等。这种加速度计具有体积小、重量轻、可靠性高、功耗小等显著优点,可广泛应用于航天、汽车、测振等领域。

提取加速度计的固有频率、阻尼比等动态参数,对传感器结构参数推算、闭环设计、动静态性

收稿日期:2008-05-29

E 2m ail :bym 107@

M EMS 器件与技术　M EMS Device &Technology

能分析有着重要意义。了解加速度计表头的开环动态特性是加速度计闭环特性设计[1]的前提,因此必须对加速度计表头的动态特性进行分析研究,用于传感器的性能分析和改进设计,从而推进实用化进程。

Si 电容式加速度计主要有梳齿式、三明治式、

跷跷板式等结构。利用它们典型的静电响应特性,不仅可以对传感器实现静电力负反馈控制,实现电激励自检,而且在研制表头时,可方便地得到表头的动态性能参数。本文设计制作了应用静电激振法原理[2]对电容加速度计动态参数进行测试分析的系统。该方法方便、快捷,极大地促进了微Si 加速度计的研制。

1　结构组成

本文研究的电容式加速度计结构是典型的梳齿结构,如图1所示。Si 制活动极板通过一对支撑

梁弹簧与基座相连,以确保活动极板(检测质量)沿敏感加速度方向平动,而其他方向的运动则受到约束。当有加速度信号作用时,在惯性力的作用下,活动极板与两侧固定极板产生相对位移;当外加加速度信号撤消时,活动极板在梁弹性恢复力的作用下回到初始状态

。

图1　电容式加速度计结构原理图

Fig.1　Schematic of t he capacitance acceleration sensor

表头动、静极板之间有数组交错的平行板梳齿结构,可将表头看作有限个差动电容器单元的并联。通过对电容变化量的检测,可完成对被测加速度的测量。

梳齿电容结构的微加速度计表头简化等效物理模型如图2所示。其敏感元件为两侧带有叉指结构的质量块M ,动极板与两固定极板组成差分

结构,电容分别为C 1和C 2。支撑质量块的四根梁可等效为弹簧K ,空气提供的阻尼等效为阻尼

器D

。

图2　微加速度计物理模型

Fig.2　Model of t he capacitance acceleration sensor

该结构可以等效为弹簧-质量-阻尼二阶系统,其动态特性可用二阶阻尼系统模型来描述[3]。设动极板梳齿与质量块的质量和为M ,悬梁的弹性系数为K ,质量块沿加速度a 方向运动时空气阻尼系数为D ,应用牛顿定律可得其动力学方程为

M d 2x d t

2+D d x

d t +K x =-M a

(1)

式中,x 为质量块的位移。

应用拉普拉斯变换[4],可得到加速度计的机械传递函数

H (s )=

x (s )a (s )=1

s 2+D/M ・s +K/M

=1

s 2

+2ζωn ・s +ω2

n

(2)

式中:ωn =K/M 为无阻尼振荡频率(固有频率);ζ=D/2

KM 为阻尼比;s 为复变量。

在对传感器进行闭环设计和结构参数优化时,

首先要通过试验提取出表头的固有频率ωn 和阻尼比ζ。

2　静电力激振法原理和试验结果

目前对加速度表头的动态特性测试中,主要采用计算机和DSP 技术,在频域范围内,利用频谱分析仪对加速度计系统进行测试分析。若使表头产生稳定的振动,常用的方法包括机械振动激振法和静电激振法。机械振动激振法主要靠机械振动台迫使表头振动,高精度机械振动台造价昂贵。由于加速度计表头是静电敏感器件,应用静电激振法,本

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