力平衡加速度计的刚度耦合特性.pdf

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1、2010年第29卷第4期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)35力平衡加速度计的刚度耦合特性周吴，何晓平，苏伟，李柏林。，陈黎丽(1．西南交通大学机械工程学院，四川成都610031；2．中国工程物理研究院电子工程研究所。四川绵阳621900)摘要：通过分析力平衡加速度计的工作原理，运用解析法推导出输入惯性力与质量块位移的关系，指出加速度计的工作过程包括刚度“刚化”与刚度“软化”2种状态，有别于开环加速度计仅涉及刚度“软化”状态。以质量块位移的静电刚度与机械刚度之比作为结构的刚度耦合值，分析表明：加速度计的“刚化”与“软化”的分界点是耦

2、合值为零的位置，而“正”刚度与“负”刚度的分界点是耦合值为一l的位置。耦合曲线的尖锐程度反映了质量块的允许位移大小和耦合的非线性度，刚度耦合的幅值越大，耦合曲线越尖锐，非线性度越大，质量块允许位移反而越小。关键词：微电子机械系统；加速度计；刚度耦合；特性；静电刚度中图分类号：TH112文献标识码：A文章编号：1000-9787(2010)04_oo35_03Characteristicsofstifnesscouplinginforce-balancedaccelerometerZHOUWu，HEXiao．ping，SUWei。，LIBai—lin，CHENLi．1i(1．Schoolo

3、fMechanicalEngineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，China；2．InstituteofElectronicEngineering，ChinaAcademyofEngineeringPhysics，Mianyang621900，China)Abstract：Byanalyzingworkingprincipleofforce—balancedaccelerometer，andusinganalyticalmethod，therelationofinputine~ialforceandnlassblock’Sd

4、isplacementisderived．Boththestatesof“stifening”and“softening”areinvolvedintheprocedureofoperation，whichisdifferentfromtheopen·loopaccelerometerwhichonlyinvolvethestateof'‘softening”．Thestiffnesscouplingvalueisdefinedastheratioofelectrostaticstiffnessandmechanicalstiffnessofblock’Sdisplacement．Ana

5、lysisindicatesthatthedividingpointof“stifening’’and‘softening’’iswherethecouplingvalueequalstozero．anddividingpointof“positive”and“negative”stiffnessiswherethecouplingvalueequalsto-1，thesharpnessofcouplingcurvereflectsthepermitteddisplacementandcouplingnonlinearity，thelageristheamplitudeofstifnes

6、scouplingvalue，themoresharpisthecurve，andthelargeristhenonlinearity，thesmalleristhedisplacementpermittedbymassbloek．Keywords：MEMS；accelerometer；stiffnesscoupling；characteristics；electrostaticstiffness0引言动。在无加速度时质量块在上下极板的静电力作用下保持微加速度计是最早研究的微机械惯性传感器之一，它平衡，质量块上无电压形成；当有外界加速度时，质量块在主要分为压阻式、电容式及谐振式等几类。其

7、中，电容惯性力作用下发生一定的位移，此时由于上下电容差而在式加速度计因其具有体积小、功耗低、精度高、速度快等特质量块上产生电压，产生的电压通过控制电路形成加速度点而被广泛应用于工业自动控制、车辆的振动测试等方计的输出信号，同时，输出电压经过一定的放大处理反馈到面J。电容式加速度计根据其控制电路类型可分为开环质量块抵消惯性力来维持质量块的平衡。国外的Rudolf加速度计和闭环加速度计。F和JornodA等人用体硅工艺制造出微加速度分辩