一种工程化微机电加速度计研制*

马智康， 赵亭杰， 刘国文,2， 李兆涵， 刘 宇， 徐宇新

(1.北京航天控制仪器研究所，北京 100039； 2.浙江大学 航空航天学院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

目前惯性导航系统向高性价比、微型化、低功耗的方向发展。惯性技术与微机电技术相结合的微机电加速度计具有小尺寸、低成本、高灵敏度的特点[1]，在惯性导航领域得到广泛应用，因此成为下一代惯性器件的主要发展方向之一。 美国Draper实验室预测，到2030年，随着微加工技术的进一步成熟，微机电系统/微光机电系统(MEMS/MOEMS)加速度计将占据中低精度的主要市场。

1 微机电加速度计检测原理

本文设计的微机电加速度计采用“三明治”电容式结构，如图1，与梳齿式加速度计和扭摆式加速度计相比，该结构具有敏感质量大、误差源较少、精度潜力大等优点[2,3]。采用半导体批生产工艺加工的微机械敏感结构并结合电路集成一体化技术制作的“三明治”式微机电加速度计，是一种基于挠性摆式具有再平衡回路的微机电加速度计，由固定的控制电极与可动的检测质量块构成一对差动可变电容。敏感质量在外界加速度的作用下产生惯性力(或惯性力矩)，在Z向的位移将引起相应电容的差动变化，通过检测这一微小电容变化可以反映出在Z轴方向上的加速度。

当有加速度作用时，作为惯性质量的加速度计敏感摆片相对于中心位置发生偏移，该偏移量由差动电容检测，将偏差信号输入到伺服系统。偏差信号经过解调、放大等反馈到摆片上，此反馈电压形成的静电力将使原来偏离中心位置的摆片拉回到零位附近，静电力与惯性力大小相等、方向相反，因此，加速度计闭环时[4,5]，输出电压也即反馈电压，其大小与外界加速度成正比。其传感器系统框图如图2所示。

图1 “三明治”式微机电加速度计结构简图

图2 “三明治”式微机电加速度计再平衡回路框图

2 微机电加速度计敏感结构设计

图3所示为微机电加速度计全封闭敏感元件的结构示意图，整体设计尺寸为4.0 mm×2.8 mm×0.98 mm，厚度方向的0.98 mm包括2层0.38 mm厚的硅片以及1层0.22 mm厚的硅片。摆结构由质量块、支撑梁、键合框架、引线焊盘等组成，其中质量块有效电容面积为1.87 mm×2.16 mm。上下极板由硅衬底、二氧化硅绝缘层、电极、焊盘等组成，上下极板通过干法刻蚀工艺刻蚀完成，通过溅射金属实现欧姆接触电极。

图3 敏感元件结构示意

3 微机电加速度计敏感结构参数设计、仿真

为了确定摆结构支撑梁的刚度以及摆结构运动形态，对摆结构进行了ANSYS模态仿真，仿真结果如图4所示，从仿真结果可以看出，结构的一阶模态即为Z向摆动的工作模态，模态频率达到3 223.31 Hz，该频率下能够保证支撑梁的Z向刚度，使微机电加速度计在设计量程±50gn满量程加速度输入时，加速度计闭环系统总刚度为正，仍为二阶最小相位系统。理论上，该一阶频率对应的闭环加速度计量程能够达到±61.7gn。一阶模态以外的其它模态均为干扰运动，须尽量抑制，表1表明，该结构参数下的二阶模态频率是一阶模态频率的6倍以上，即拉开了与一阶模态频率的差距，从而实现了工作模态和干扰模态的隔离，降低了交叉耦合。

图4 微机电加速度计敏感结构五阶模态仿真结果

表1 微机电加速度计敏感结构前五阶模态仿真

该结构参数下的基础电容和重力场下电容值计算结果

(1)

(2)

(3)

式中C0为加速度为0gn时的基础电容;C-g为1gn重力加速度作用下间隙变小一侧电容值；C+g为1gn重力加速度作用下间隙变大一侧电容值；ε=8.854×10-12为真空介电常数；L=2.16 mm为电容极板长度；B=1.87为电容极板宽度；d=2 μm为电容间隙；Δd=0.034 μm为质量块在1gn重力加速度作用下的最大位移量。

根据ANSYS仿真结果，结合采用的分立电路最大预载电压7 V，最大输出电压10 V，对采用全封闭敏感结构的闭环微机电加速度计的关键指标作出理论计算

(4)

(5)

式中amax为加速度计量程；K1为加速度计标度因数；m=ρLBT为质量块质量，其中ρ=2 328.9 kg/m3为硅材料密度，T=0.22 mm为质量块厚度；gn=9.8 m/s2为重力加速度；Vref=7 V为闭环电路预载电压；Voutmax≈10 V为加速度计最大输出电压值；Km=m(2πf)2为支撑梁的等效刚度，其中f=3 223.3 Hz为摆式质量块一阶频率。

4 微机电加速度计封装、测试

考虑到有效降低整表体积的需求，微机电加速度计整表布局上采用双腔金属管壳进行整表组装，上下腔体采用由玻璃绝缘子烧制的接线柱进行线路连接，上腔体主要布局加速度计敏感结构芯片和载波发生电路，下腔体布局整表解调、控制及反馈电路。这样，既可以将高频载波信号和检测信号有效隔离，降低了信号之间的干扰，同时也实现了紧凑型的整表双腔互连封装，降低了整表体积。图5为加速度计整表封装组成及机械外廓，管壳尺寸20 mm×18 mm×9 mm，其产品实物如图5所示。

图5 加速度计封装组成与产品实物

利用精密离心机对微机电加速度计样机量程进行测试，按±55gn测量范围进行试验设计，0～50gn以5gn间隔递增，50gn以上以1gn间隔递增，离心机输入时序和对应输出拟合曲线如图6所示，从图中可以看到，加速度计负向量程达到-55.2gn，正向量程达到53gn。该样机达到了±53gn量程，拟合标度因数为150.14 mV/gn，和设计预期比较一致，偏离较小，偏离主要是由理论计算时对电容间隙和质量块尺寸参数的估计和实际加工参数之间的偏差所致。

图6 加速度计量程测试结果

利用温控端齿盘，对微机电加速度计一次通电稳定性进行测试，测试条件为：加速度计置于0gn状态，55 ℃下保温0.5 h，使微机电加速度计内部达到热平衡，然后上电1 min，开始对加速度计输出进行采集，采样频率为1 Hz，采集1 h输出如下图7所示，计算得到该加速度计温控下1 h稳定性(1σ)为5.97×10-5gn。

图7 加速度计1 h稳定性输出曲线

5 结 论

ANSYS模态仿真结果表明，该设计参数下实现了工作模态和干扰模态的隔离，设计双腔金属管壳封装/组装方案，实现了强信号的隔离和整表的高密度封装，对该加速度计量程测试和稳定性指标进行了测试，测试结果表明：该加速度计实现了量程设计目标，在该量程下，实现了5.97×10-5gn的稳定性指标，后续将继续进行整表性能参数优化，提升集成水平，实现该产品在低成本、微型化等惯性系统中的规模应用。