飞行器用高精度小量程石英微加速度计研究*

高 阳,李庆丰,陈 艳,杨贵玉,彭泳卿,金小锋

(北京遥测技术研究所,北京 100076)



飞行器用高精度小量程石英微加速度计研究*

高 阳,李庆丰,陈 艳,杨贵玉,彭泳卿*,金小锋

(北京遥测技术研究所,北京 100076)

为满足对振动环境下10 Hz以下低频小量程加速度信号的高精度测量需求,提出了一种基于石英微工艺的新型窄带宽MEMS加速度计,其敏感元件采用变间距式差分电容梳齿结构。采用有限元分析手段,对敏感元件质量块尺寸、梳齿长度、U型梁刚度、盖板结构、阻尼和带宽等参数进行了综合优化设计。敏感元件采用石英晶片经湿法腐蚀体工艺制作,加速度计样机经过了实际性能测试和环境适应性试验,带宽为8.9 Hz,非线性度约为0.7%,可以满足飞行器小量程低频加速度参数的测量需求。

石英加速度计;微机电系统;梳齿电容;窄带宽;有限元分析

微机械加速度计的研究与开发始于20世纪六七十年代,随着微加工技术的不断成熟,具有尺寸小、重量轻、高性能、批量生产成本低等优点的MEMS加速度计已在航空航天、汽车工业、消费电子等领域越来越得到广泛的应用[1-2]。根据所采用的测量原理,微加速度计可分为电容式、压阻式、压电式、隧道电流式、谐振式和热电偶式等,其中电容式微加速度计以其功耗低、灵敏度高、稳定性好、抗过载能力强的特点,已成为当今微加速度计设计的主流[3]。

自1977年美国Stanford大学在世界上首先采用微加工技术制造出第1种硅加速度计开始[1],硅微加速度计产品经历了30余年的研究与发展,已经形成了广泛的应用市场。目前较为成熟的电容式硅微加速度计敏感结构主要有三明治式、梳齿式、扭摆式等。美国AD公司于1989年开始硅梳齿电容式微加速度计的研究,1993年正式推出了针对汽车安全气囊应用的ADXL50型加速度计,现在其ADXL系列硅微加速度计已经成为了市场上最具代表性的器件[4]。近年来,硅微加速度计产品正向高精度方向发展。瑞士Colibrys公司的Zwahlen等提出了一款导航级的电容式硅微加速度计,其采用三明治式结构,量程为11.7gn,带宽300 Hz,可耐最高4 000gn的冲击[5]。北京大学的Wang J等提出的一种梳齿电容式硅微加速度计,其在量程±1gn时灵敏度为172.5 mV/gn,带宽400 Hz[6]。在军事领域,加速度计自面世以来一直作为最重要的惯性仪表之一,被称为惯性导航和惯性制导系统的心脏。

高速飞行器在再入大气过程中,气压低,耗能少;高空风速较大,环境恶劣,受到的强风干扰严重,其加速度信号具有处于高振动环境下低频小量级的特点,对其进行高精度测量在高速飞行器的气动力学参数辨识过程中具有重要意义[7]。但经测试,目前可获取的硅微加速度计产品在设计中大多追求高带宽的特点,尚无法同时满足该振动环境应用场合的带宽、全温精度及振动整流误差的指标要求。针对这种应用背景下被测信号频率很低,且伴随着外部环境剧烈变动的特点,本文设计了一种基于石英微工艺的新型窄带宽梳齿电容式微加速度计,与硅材料相比,石英材料具有工艺简单、温度特性好、机械性能高的优点[8],尤其在振动环境中小量程加速度信号测量的背景下具有优势。窄测量带宽既保证了有效信号的测量,又能对环境振动背景起到抑制作用。

1 加速度计的数学模型及检测原理

加速度计的机械部分可以等效为一个二阶振动系统[9],敏感质量块通过弹性支撑梁和阻尼器与外部固定部分相连,在工作时受弹性力、阻尼力及惯性力共同作用。通过对质量块列写力平衡微分方程,当工作频率很低即近似稳态时,可得质量块位移x与输入加速度a间近有似线性关系:

(1)

式中:M为质量块质量,k为弹性梁弹性系数,ωn为固有频率。比值M/k决定了加速度计的检测灵敏度,通常称为加速度计的标度因子。该量与固有频率的平方成反比,降低系统的固有频率,能同时提高加速度计的检测灵敏度与降低系统带宽。

加速度计的电学部分主要由差分电容组成,按照外界惯性力引起电容变化形式分类,可分为变间距式及变正对面积式。本文设计的敏感元件为变间距式,其结构示意图及等效电学模型如图1所示。中心敏感质量块上的活动电极与两侧的固定电极分别构成差分梳齿电容C1、C2与C3、C4。

图1 敏感元件结构示意图及等效电学模型

当输入加速度为零时,动极板处于平衡位置,两差分电容间距分别为d0及md0,其中m为梳齿间隙宽窄比例因子。当有外界输入加速度a时,质量块位移x会引起差分电容的变化。本文应用石英材料加工敏感元件,z切石英梳齿腐蚀的侧面一个方向不是垂直的截面,如图2所示,若晶片厚度为T,间隙宽度为g,腐蚀侧棱到边缘的垂直距离为h,其电容值应以下式计算:

(2)

图2 石英梳齿侧面图

当有位移x发生时,差分电容为:

ΔC=(C1+C4)-(C2+C3)=

(3)

由于x≪d0,故略去高次项,保留线性主项后,可得电容改变量与位移间的关系:

(4)

代入式(1)(2),可得传感器的电容灵敏度为:

(5)

2 结构设计及仿真

在微电容式加速度计中,一般通过微机械结构检测电容的变化量测量加速度的大小,达到非电量电测的目的。由于微机械尺寸很小,在使用中微弱的电容量经常被干扰噪声淹没,采用差动测量方式可以使在相同环境下受到的干扰噪声抵消,极大提升信噪比[10]。梳齿电容的结构可分为定齿均置结构和定齿偏置结构,二者的区别在于动齿与两侧定齿间距离配置是否相等,前者是等距离结构,后者是不等距离结构。对于定齿均匀配置的结构,其结构键合面小,键合块较多,键合强度较弱,键合难度大,适用于表面加工的方式;而对于定齿非均匀配置的结构,其键合强度高、面积大、难度低,键合接触电阻小而均匀,成品率高[11]。本文设计了一种基于石英体工艺的定齿偏置型变间距式敏感元件,其结构如图3所示。

图3 敏感元件结构

图4 敏感元件前4阶模态振型

为获取10Hz左右的窄带宽以及较高的信噪比,加速度计需要大的工作阻尼,故敏感元件采用了较大的中心质量块、较长的梳齿和较小的齿间距,并设计了上下盖板结构,以在两动齿与定齿间获得比较大的压膜阻尼。在静齿的框架上设计了限位器,以防止传感器受过大载荷作用时梁发生过大形变而造成传感器损坏。MEMS器件设计中常见的弹性梁结构有固支直形梁、L形折叠梁、U形折叠梁、蛇形折叠梁等[12]。在各形式中,U型梁结构简单,检测模态刚度小而在其他方向刚度大,交叉耦合影响小,具有应力释放作用,对于需要二阶及二阶以上模态频率远大于检测模态的频率值的敏感元件来说,U型梁的综合性能较好,振幅适中,易于满足要求。在工艺参数的制约下,通过对加速度计结构诸参数进行仿真与综合,得到优化后的加速度计结构与设计参数,建立了敏感元件的结构模型。

采用有限元方法,利用有限元仿真软件对上述结构进行了模态仿真分析。对于单轴加速度计,一阶模态为质量块沿敏感运动方向的振动模态,而第2、第3等更高阶模态是其他非敏感振动模态,为了保证加速度计的精度,一般要根据模态分析的结果采用合理的尺寸搭配,使敏感模态固有频率与非敏感模态固有频率尽量大地分离,以减小交叉轴干扰。本模型采用石英材料,固定梳齿与可动梳齿交替非对称分布在质量块两侧,两端采用U型悬臂梁带动敏感质量运动。利用有限元仿真软件对模型进行模态仿真,列出前6阶模态固有频率数值见表1所示,前4阶模态的振型图如图4所示。

表1 敏感元件前6阶模态固有频率数值

仿真显示第1阶模态为216.84 Hz,第2阶模态与工作模态间隔大于1.8 kHz,可有效避免模态干扰。除模态分析外,还对设计的敏感元件进行了各轴抗过载应力分析及不同阻尼下的随机振动分析,仿真结果表明设计的敏感元件符合设计要求。

图6 腐蚀的梳齿结构

3 工艺制作

微加速度计敏感元件采用石英湿法腐蚀体工艺进行制作,整个敏感结构即静齿与动齿同步制备。梳齿侧壁通过蒸镀金属电极膜层作为平板电极,上下盖板结构采用石英材料金-金键合工艺制作。其工艺流程如图5所示,腐蚀出的梳齿结构及最终制备的敏感元件如图6和图7所示。

图5 敏感元件工艺流程

图7 制作的敏感元件

4 性能测试

采用环形二极管式C-V转换电路[13],搭建原理样机对敏感元件的性能进行了测试。

4.1 频响实验

4.1.1 振动激励

将元件封装并与电路连接后利用水平振动台进行区间为(1 Hz,200 Hz)的频响实验,拟合曲线结果如图8所示,拟合数值见表2。从扫频结果可见其工作带宽(-5%带宽)小于10 Hz,处于过阻尼状态,符合窄带宽的应用要求,且固有频率测试值215.4 Hz与有限元分析结果216.84 Hz相接近。

图8 原理样机幅频曲线

固有频率/Hz阻尼比工作带宽(-5%)/Hz215．43．28．9

4.1.2 电激励

为了确定上下盖板的过阻尼设计,采用安捷伦信号发生器配合反相器电路输出两路幅值相等相位相反的正弦扫频信号送入两侧定齿,在动齿加载预载电压,产生的静电力将使敏感元件动齿发生运动,即以电激励信号模拟了加速度信号输入。将样机的输出信号与作为输入信号的交流扫频信号相比较,即可得到样机的频率响应曲线。对样机分别进行0.101 MPa氮气封装及抽真空后的电激励频响实验,其幅频曲线如图9所示。

图9 0.101 MPa封装及抽真空后幅频曲线

可见元件在0.101 MPa下电激励扫描的结果(图9(a))与在水平轴上振动测试结果(图9(b))基本接近,工作带宽小于10 Hz;而在真空腔室中,幅频曲线在210 Hz左右明显有一个谐振峰,故敏感元件在0.101 MPa封装下工作在过阻尼状态。

用同样的电激励方法,对另外一个敏感模态设计值为344 Hz的敏感元件样机做有无盖板的对比频响实验,幅频曲线如图10所示。

图10 有无盖板幅频曲线对比

从图中可以看出该元件无盖板时在激励信号频率为350 Hz时有一个谐振峰,阻尼比小于0.7;而在有盖板时在扫描区间内未见谐振峰,且自10 Hz始输出一直处于衰减状态,阻尼比大于3。可知由于盖板的引入,使敏感元件的阻尼比从欠阻尼状态转变为了过阻尼状态,带宽由200 Hz减小为10 Hz以下,达到了缩减带宽的目的。

4.2 输出线性度实验

将原理样机固定在分度头上,旋转分度头进行测试,利用安捷伦16位数采卡U2355A采集输出数据,采样频率为1 ksample/s,每10°采数一次,每个角度采样70s,线性度输出曲线如图11所示。测试结果线性度较好,±1gn量程时非线性度为0.7%,灵敏度为4.48 V/gn。

图11 原理样机线性度输出曲线

4.3 零位稳定性测试

对样机的零位输出进行采数,采样频率为1 ksample/s,零位输出数据如图12所示,样机零位稳定性约25.7 μgn。由于测试电路未进行参数优化,且样机未放入恒温箱中,如果引入温度补偿及参数优化,其零位稳定性及非线性参数应还会有一定的提高。

图12 原理样机零位输出曲线

图13 50 μgn分辨率测试结果

4.4 分辨率及阈值测试

对样机的分辨率及阈值进行测试,分度头增加角为10″,对应的加速度增量为48.5 μgn,数采卡打开点平均,采集时间30 s,样机输出增量曲线如图13所示。

各次测试得到的输出增量测试值与理论值的比值均在允许误差范围内,可以确定元件能够实现50 μgn的分辨率测量。再将分度头在0°、10″、-10″循环测试,其阈值输出曲线如图14所示,其在50 μgn阈值时满足要求。

图14 50 μgn阈值测试结果

4.5 环境适应性实验

为验证样机在冲击振动环境下的工作情况,进行了环境适应性实验。利用跌落台对敏感元件进行了跌落实验,敏感元件分别沿x、y、z向固定在跌落架上进行实验,在各方向的实验中,跌落台提供2 000gn冲击时梁均未发生断裂现象。利用振动台对样机进行了3方向随机振动实验,振动频率20 Hz～2 000 Hz,均方根值6gn,实验中样机可以正确工作。

5 结论

本文设计了一种变间距式石英梳齿电容微加速度计,具有窄带宽、小量程、大阻尼的特点,采用石英材料湿法腐蚀体工艺制作了样机,样机实测性能参数为:工作带宽小于10 Hz,量程±1gn,分辨率50 μgn,非线性度约为0.7%,灵敏度为4.48 V/gn,零位稳定性约25.7 μgn。同时样机通过环境适应性测试,可以满足强振动环境下低频小量程加速度的高精度测量要求。

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高 阳(1989-),男,汉族,硕士研究生,主要从事MEMS电容式传感器方面研究,gyceltics@126.com;

李庆丰(1982-),男,汉族,博士,工程师,主要从事先进传感技术、谐振式传感器、MEMS电容式传感器等方面的研究,cheer20042005@126.com;

陈 艳(1977-),女,汉族,硕士,高级工程师,主要从事石英微机械传感器方面研究,36345967@qq.com;

彭泳卿(1980-),男,汉族,博士,高级工程师,美国西密西根大学机械与航空工程系毕业,主要从事航天特种传感器与传感系统技术等研究,现为中国航天科技集团学术带头人,发表中英文科技论文30余篇,国家专利5项,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

项目来源:国防科技预研项目(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