电子论文-谐振式微机械加速度计设计的关键技术new

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1、万方数据第21卷第4期2008年4月传感技术学报CHINESEJOLrP矾ALOFSENSORSANDACTUATORSv01．21No．4Apr．2008CriticalTechnologiesinDesignofMicromechanicaiResonantAccelerometer。RENJie’，FANShang-chun，WANGLu-da(SchoolofInstrumentSci棚ce&Opto-electronicsEngineering，BeihangUniversity，BeOing100083，China)Abst

2、ract：Micromechanicalresonantaccelerometerhastheadvantagesofdirectfrequencyoutput，highsta—bility，andhighprecision．Thispaperstudiesthemechanicsofmicromechanicalresonantaccelerometer，andcreatesthemathematicalmodelofthefirst-levelsensingstructure．1everstructureandthesecond-l

3、evelsensingstructure．Wealsoexplainthatthekeytechniqueofthemeasurementofthehighsensitivityaccel—erometeristhedesignofthebearingbeam，theproofmass，theresonatorandtheleveragemechanisms，andproposeastructureofmicromechanicalresonantaccelerometer．Atlast．theoptimumdesignandthere

4、sultoftheemulationofthestructureareachieved，andtheperformanceindexesare：theresonantfre—quencyis98858Hz，theQvalueis673．9，andthesensitivityis24．52Hz／g。．Keywords：MEMS；micromechanicalresonantaccelerometer；resonator；modelingE]巳垃C：2575；7320E谐振式微机械加速度计设计的关键技术*任杰’，樊尚春，王路达(北京航空航天

5、大学仪器学院，北京100083)摘要：谐振式微机械加速度计直接输出频率信号，具有稳定性好、精度高的特点。分析了谐振式微机械加速度计的工作机理，建立了第一级敏感结构、杠杆机构和第二级敏感结构的数学模型，指出了实现高灵敏度加速度测量的关键技术在于支撑梁、质量块、谐振器和杠杆机构的设计。提出了一种谐振式微机械加速度计结构，进行了结构的优化设计和仿真计算，得出的性能指标：谐振频率98858Hz，Q值673．9，灵敏度24．52Hz／g,．关键词：微机电系统；微机械加速度计；谐振器；建模中图分类号：TN304．12；TH824．4文献标识码：A文

6、章编号：l∞4-1699(2∞8)04-0593-03微机械加速度计是微机电系统中最为成功的器件之一，在军事与民用领域有广泛的应用前景，孕育着巨大的社会效益和经济效益，提高性能指标是目前微机械加速度计领域的研究重点[1]。微机械加速度计有压阻式、电容式、压电式、热对流式、谐振式和隧道电流式等多种形式[2-3

7、。谐振式微机械加速度计是通过检测机械谐振器谐振频率的变化来实现加速度的测量，其特点是稳定性好、精度高，其突出的优势是直接输出频率信号，传输过程不易失真，易与数字电路接口，微弱信号处理难度小[4]。静电激振、电容拾振方式用MEMS工艺

8、容易实现，温度效应小，在谐振式微机械传感器中被广为采用呻]。本文基金项目：国家高技术研究发展计划资助(2006AA042364)收稿日期：2007—09-30修改日期：2008-02-21研究的是一种静电激振、电容拾振的谐振式微机械加速度计设计的关键技术。1工作机理分析与建模如图1所示，谐振式微机械加速度计由支撑梁、质量块、杠杆机构、谐振器、激振单元、拾振单元组成。其工作机理是：质量块将加速度转化为惯性力，惯性力经过杠杆机构放大后作用于谐振器的轴向，引起谐振器的谐振频率变化，由测得的谐振频率推算出被测加速度。可见谐振式加速度计的加速度测

9、量是通过第一级敏感结构、杠杆放大机构和第二级敏感结构完成的。万方数据594传感技术学报2008生图1谐振式加速度计示意图1．1第一级敏感结构第一级敏感结构是通过质量块将加速度转化为惯性力输出，其理论基础是牛