一種工程化微機電加速度計研制*

馬智康， 趙亭杰， 劉國文,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)向高性價比、微型化、低功耗的方向發(fā)展。慣性技術(shù)與微機電技術(shù)相結(jié)合的微機電加速度計具有小尺寸、低成本、高靈敏度的特點[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Draper實驗室預(yù)測，到2030年，隨著微加工技術(shù)的進(jìn)一步成熟，微機電系統(tǒng)/微光機電系統(tǒng)(MEMS/MOEMS)加速度計將占據(jù)中低精度的主要市場。

1 微機電加速度計檢測原理

本文設(shè)計的微機電加速度計采用“三明治”電容式結(jié)構(gòu)，如圖1，與梳齒式加速度計和扭擺式加速度計相比，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[2,3]。采用半導(dǎo)體批生產(chǎn)工藝加工的微機械敏感結(jié)構(gòu)并結(jié)合電路集成一體化技術(shù)制作的“三明治”式微機電加速度計，是一種基于撓性擺式具有再平衡回路的微機電加速度計，由固定的控制電極與可動的檢測質(zhì)量塊構(gòu)成一對差動可變電容。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)電容的差動變化，通過檢測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，作為慣性質(zhì)量的加速度計敏感擺片相對于中心位置發(fā)生偏移，該偏移量由差動電容檢測，將偏差信號輸入到伺服系統(tǒng)。偏差信號經(jīng)過解調(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，加速度計閉環(huán)時[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”式微機電加速度計結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 “三明治”式微機電加速度計再平衡回路框圖

2 微機電加速度計敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3所示為微機電加速度計全封閉敏感元件的結(jié)構(gòu)示意圖，整體設(shè)計尺寸為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，上下極板通過干法刻蝕工藝刻蝕完成，通過濺射金屬實現(xiàn)歐姆接觸電極。

圖3 敏感元件結(jié)構(gòu)示意

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

為了確定擺結(jié)構(gòu)支撐梁的剛度以及擺結(jié)構(gòu)運動形態(tài)，對擺結(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，使微機電加速度計在設(shè)計量程±50gn滿量程加速度輸入時，加速度計閉環(huán)系統(tǒng)總剛度為正，仍為二階最小相位系統(tǒng)。理論上，該一階頻率對應(yīng)的閉環(huán)加速度計量程能夠達(dá)到±61.7gn。一階模態(tài)以外的其它模態(tài)均為干擾運動，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，即拉開了與一階模態(tài)頻率的差距，從而實現(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 微機電加速度計敏感結(jié)構(gòu)五階模態(tài)仿真結(jié)果

表1 微機電加速度計敏感結(jié)構(gòu)前五階模態(tài)仿真

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

(1)

(2)

(3)

式中C0為加速度為0gn時的基礎(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，對采用全封閉敏感結(jié)構(gòu)的閉環(huán)微機電加速度計的關(guān)鍵指標(biāo)作出理論計算

(4)

(5)

式中amax為加速度計量程；K1為加速度計標(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 微機電加速度計封裝、測試

考慮到有效降低整表體積的需求，微機電加速度計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和檢測信號有效隔離，降低了信號之間的干擾，同時也實現(xiàn)了緊湊型的整表雙腔互連封裝，降低了整表體積。圖5為加速度計整表封裝組成及機械外廓，管殼尺寸20 mm×18 mm×9 mm，其產(chǎn)品實物如圖5所示。

圖5 加速度計封裝組成與產(chǎn)品實物

利用精密離心機對微機電加速度計樣機量程進(jìn)行測試，按±55gn測量范圍進(jìn)行試驗設(shè)計，0～50gn以5gn間隔遞增，50gn以上以1gn間隔遞增，離心機輸入時序和對應(yīng)輸出擬合曲線如圖6所示，從圖中可以看到，加速度計負(fù)向量程達(dá)到-55.2gn，正向量程達(dá)到53gn。該樣機達(dá)到了±53gn量程，擬合標(biāo)度因數(shù)為150.14 mV/gn，和設(shè)計預(yù)期比較一致，偏離較小，偏離主要是由理論計算時對電容間隙和質(zhì)量塊尺寸參數(shù)的估計和實際加工參數(shù)之間的偏差所致。

圖6 加速度計量程測試結(jié)果

利用溫控端齒盤，對微機電加速度計一次通電穩(wěn)定性進(jìn)行測試，測試條件為：加速度計置于0gn狀態(tài)，55 ℃下保溫0.5 h，使微機電加速度計內(nèi)部達(dá)到熱平衡，然后上電1 min，開始對加速度計輸出進(jìn)行采集，采樣頻率為1 Hz，采集1 h輸出如下圖7所示，計算得到該加速度計溫控下1 h穩(wěn)定性(1σ)為5.97×10-5gn。

圖7 加速度計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)計參數(shù)下實現(xiàn)了工作模態(tài)和干擾模態(tài)的隔離，設(shè)計雙腔金屬管殼封裝/組裝方案，實現(xiàn)了強信號的隔離和整表的高密度封裝，對該加速度計量程測試和穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明：該加速度計實現(xiàn)了量程設(shè)計目標(biāo)，在該量程下，實現(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。