扭摆式高g值微机械加速度计的设计优化与冲击校准

扭摆式高g值微机械加速度计的设计优化与冲击校准

陶永康;刘云峰;朱科引;董景新

【摘要】A kind of pendulous high-g micro-machined accelerometer was designed.Cruciform torsion beam was applied to reduce cross-axis sensitivity,and comb structure was used as stopper and damper.The micro-structure parallels 6 sensing units to improve initial capacitance.Based on finite element analysis,the micro-structure’s natural frequency is about 56 kHz with modal separation ratio more than 4.It can resist 1E5 g shock acceleration and the micro-structure’s sensi tivity is 8.94E-6pF /g.The accelerometer’s fabricated by silicon on glass (SOG)technology,and its single-side initial capacitance is about 3.6pF.The measurement bandwidth of ring diode capacitance detection circuit was analyzed and a high g accelerometer’s detection circuit was designed.Calibrated by Hopkinson bar,the accelerometer’s nonlinearity is 2% of 2E4 g range,and the scale factor is about 24.5μV /g with 5V supply.%设计实现了一种扭摆式高g值微机械加速度计。微结构采用十字形扭梁减小横向效应，摆片两侧使用梳齿结构作为止档和阻尼器，6个敏感单元并联的方式提高基础电容量。有限元仿真得到表头谐振频率约为56 kHz，前两阶模态分离比大于4，高过载能力10万 g，微结构灵敏度为8．94E －6pF ／g，基于玻璃－硅（Silicon On Glass，SOG）工艺流片后单侧基础电容约为3．6 pF。分析了环形二极管电容检测电路的检测带宽问题，并设计了高 g 值加速度计的检测电路。搭建了霍普金森杆实验系统进行高 g 值的冲击校准，2万 g 范围内非线性度2％，5 V 供电下标度因数约为24．5μV ／g。

【期刊名称】《振动与冲击》

【年(卷),期】2015(000)001

【总页数】5页(P53-57)

【关键词】高 g 值微机械加速度计;扭摆式加速度计;检测读出电路;霍普金森杆;冲击校准

【作者】陶永康;刘云峰;朱科引;董景新

【作者单位】清华大学精密仪器系，北京 100084;清华大学精密仪器系，北京100084;清华大学精密仪器系，北京 100084;清华大学精密仪器系，北京100084

【正文语种】中文

【中图分类】TH7;U666.1

Optimization

design

and

shock

calibration

of

pendulous

high-

g

micro-

machined

accelerometer

Key

words:

high-

g

micro-

machined

accelerometer;

pendulous

accelerometer;

detective

readout

circuit;

Hopkinson

bar;

shock

calibration

目前微机械加速度计的一种重要应用需求是高

g值测量，获取高冲击过程中的加速度，用于冲击过载实验和某些特殊的

军事应用场合。例如侵彻钻地武器的弹药在侵彻硬质界面的过程中，需要测量几万乃至十几万

g的加速度

[1-3]。高

g值加速度计是侵彻过程惯性测试与控制的关键技术之一，研究高

g值微机械加速度计对于推动国内侵彻武器研究、爆炸和冲击测试等实验

手段的发展具有重要的实用价值。

考虑微尺度效应和材料特性的影响，基于微机械工艺制造的加速度计具有天然的抗冲击优势。电容式微机械加速度计具有工艺相对成熟、温度特性良好和冲击前后性能稳定性好等优势，是发展潜力较大的一种高

g值加速度计类型

[4-6]。

本文设计实现了一种扭摆式结构的高

g值微机械加速度计。加速度计微结构采用十字形扭梁、梳齿形式止档和

阻尼器以及多个敏感单元并联等结构形式，并仿真分析了微结构的各项性能。考虑高

g值传感器的应用特点，研究了环形二极管电容检测电路的检测带宽问题，并设计了加速度计的检测读出电路，利用搭建的霍普金森杆测试系统进行了传感器的冲击校准实验。

1.1 高

g值微机械加速度计

分析高

g值微机械加速度计测量应用的特点：①高

g值冲击信号大多持续时间较短，因此加速度计需要有较宽的响应频带以

敏感瞬时冲击信号；②鉴于测量的加速度幅值高，加速度计一方面需要具备较高的抗过载能力保证不致损坏，另一方面，高

g值加速度输入时非敏感方向响应增大会产生较大的测量误差，因此需要

提高微结构模态分离比以减少横向效应；③实际应用中传感器的供电电压一般为

5~15

V，静电力不足以将质量块拉回平衡位置实现力反馈闭环，因此高

g值加速度计一般工作在开环状态，全量程非线性误差大，且主要取决于

结构设计和前置电容检测电路；④受量程和谐振频率限制，高

g值加速度计微结构的灵敏度很小，且在结构设计时互相耦合，提高基础

电容量是有效的解决措施之一。

1.2 扭摆式高

g值微结构设计优化

扭摆式加速度计挠性轴两侧的敏感质量不等，加速度输入时偏心质量产生惯性力矩，挠性轴扭转引起摆片与基底的间隙变化，检测对应电容变化从而反映输入加速度的大小。其结构设计重点在于偏心质量的配置和挠性轴的设计

依据上节分析，设计的扭摆式结构使用十字形扭梁。添加的短横梁相当于在常规挠性轴基础

[4]上并上了一个硬的扭转梁(图1)，而在X方向则提供了一个较大的挤压