叉指电容式汽车安全气囊硅微加速度传感器的设计和分析

吩 孚［ 一 ］ ＝
（ ２ １）
电刚 度 （ 静 电力 引 起 的 劲 度 系 数 ） 即 为
４ ％＿ ％ ｔ
‘ （３ １）
微 机械加速 度 计一般 由敏 感元件 、信 号 传 感 器 和 力 矩 器 三 部 分 组 成 。 敏 感 元 件 通 常 为 微 加 工 技 术 加 工 出 来 的 敏 感 质 量 块 ，它 用
Ｆ 静 电 力 的影 响 ．
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（ ５）
静 电力 是 叉 指 电容 的 可 动 叉 指 和 固 定 叉 指加 极性相 反的 电压 引起 的库 伦吸 引力 。静 电力 作 用 在 敏 感 元 件 上 ， 系 统 会 产 生 一 个 负 刚 度 ， 从 而 改 变 系 统 的 属 性 。 因 此 ， 静 电 力
当 极 板 间 的 遮 盖 面 积 为Ａ，极 板 间 介 质 的 介 电 常 数 为 ｅ，初 始 极 板 间距 为 ｄ时 ， 初 始 电
容 Ｃ为
：
支承 关 系， 因此 系统 的等效 弹性 刚度系 数为
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４ ， 即 ｇｇ ３ Ｋｏ ， － ｈ
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ｄ０ （ ３）
的影响不可忽略。
加 速 度 计 的 基 本 原 理 基 于 牛 顿 第 二 定 律 ， 它 通 过 敏 感 相 应 的 惯 性 力 来 间 接 测 量 加 速度 。
当：，＝ 即 器 化 等１ 等 电 的 时 ，容 变
量 △ｃ 似 和 位 移 Ａｄ 正 比 。 但 仍 有 二 次 及 近 成 加 速 度 计 的系 统 结 构 图
甜
一
则 加速 度 ｂ ｋ
ＥＷｈ Βιβλιοθήκη （１ １） 根据 电容结 构的 不 同，又可 以把 电容加 速 度传感 器分 为平板 电容式 和插 指 电容 式 ， 插 指 结 构 能 实 现 ｚ 的 加 速 度 测 量 ， 灵 敏 度 轴 高，本文 中的设计正是基于插指 电容 。
ｃ 电 容加 速 度 计 原理 ．
一 一
簧的弹性系数。 对上式进行Ｌ ｐａｅ 换，得到敏感元件 ａ ｌｃ 变 的传 递 函数 为
１ Ｋ
状插 指 电容 加速度 传感 器的设 计 方案进行 了 分析 、研 究和仿 真。该 加速度 传感 器使 用 同 衬 底 上 整 合 的 独 立 的 相 互 垂 直 的 梳 状 插 指 电 容 结 构 ， 实 现 平 面 上 的 加 速 度 监 测 ， 灵 敏 度和分辨率满足汽车安全气囊用要求。 关键 词 ：Ｍ Ｍ ；加 速度传 感 器；安全 气 ＥＳ
一
朋 （） ２
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单 根长度 为Ｌ 的悬 臂梁 ，一端 固定 ，另 ０ 端 自 由。
囊
其中，
微 加 速 度 计 的原 理
＝ ， ｋ器 件 的 静 态 灵 敏 度 ，
阻 尼
Ｋ ＝Ｐｆ ｏ ｗ（
（Ｏ １）
Ａ 各 种 加 速 度 传 感 器 比较 ． 自上 个 世 纪 ８ 年 代 以 来 ， 随 着 对 硅 微 型 Ｏ
加 速 度 计 原 理 研 究 的 深 入 ， 硅 微 型 加 速 度 传 感 器 的 类 型 日益 多 元 化 ， 按 照 敏 感 元 件 的 不
嘞：
机 械 系 统 的谐 振 频 率 ，
其 中Ｅ 梁 的 弹 性 模 量 ， 和 分 别 是 悬 是 臂梁 的 宽度 和 长度 。 左 端两 个锚 点 固 定的 悬 臂梁 相 当于将 ２ 个 长 度 为 的 弹 簧 并 联 ，等 效 刚 度 系 数 为 ２ ； 同 样 右 端 两 个 锚 点 固 定 的悬 臂 梁 的 等 效 刚 度 系 数 也 为 ２ 。 所 有 悬 臂 梁 对 质 量 块 是 并 联 岛
一． 一． 一
文◎
摘要 ： 本 文 对 一 种 基 于Ｍ Ｍ 技 术 的 ２ Ｄ ＥＳ －梳
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叉 指 电容 式汽 车安 气囊硅 微 加 速 度 传 感 器 的 设计 和 分析 全
北京 ）
用 悬 臂 梁 作 为 差 值 电容 的 支 撑 ， 一 端 用 锚 点 固 支 ， 在 另 一 端 加 自 由应 力 时 ， 悬 臂 梁 将 发 生 形 变 。 在 小 应 变 下 ， 自由 应 力 和 自由 端 的 位 移 成 线 性 关 系 ， 可 以将 悬 臂 梁 等 效 为 个劲度系数为ｋ 弹簧 。 的
同 ， 可 以分 为 压 阻 式 、压 电 式 、 电 容 式 、 隧 穿 式 、 热 传 导 式 、谐 振 式 以 及 光 学 式 传 感 器 等 等 ［］ １。
Ｂ 电容 式 加 速 度 传 感 器 ． 电容 式 微 加 速 度 计 是 在 硅 片 上 腐 蚀 加 工
ｐ： 比， ｂ 品 质 因 数 。 可 以 看 到 ， 该 系 统 是 一 个 两 极 点 系 统 ， 且 极 点 为 一 对 共 轭 极 点。
。
出 质 量 块 和 用 其 他 工 艺 获 得 电极 ，从 而 使 质 量 块 和 电 极 之 间 形 成 电 容 。 通 过 质 量 块 在 惯 性场 中变化形成 电容变化来敏感加速度 。
”
当 活 动 板 １ 被 测 物 体 的 作 用 下 向 固 定 板 在 ２ 移 △ｄ ， 此 时 电容 Ｃ 位 时 为
来 敏 感 外 界 的 加 速 度 ， 并 产 生 于 支 撑 框 架 之
以上 非 线 性 项 的存 在 。 极 板 １ 极 板２ 固定 极 板 ，极板 ３ 和 是 是可
间 的 相 对 位 移 （ 偏 转 ） 信 号 传 感 器 测 量 检 或 ； 测 质 量 相 对 支 撑 框 架 的 位 移 （ 偏 转 ） 并 转 或 ， 化 为 电 信 号 输 出 ； 力 矩 器 的 作 用 是 产 生 ～个 约 束 力 来 平 衡 检 测 质 量 的惯 性 力 ，将 检 测 质 量 紧 紧 约 束 在 其 标 称 位 置 上 ， 根 据 力 平 衡 关 系 即可 用 此 约 束 力 大 小作 为 加 速 度 的质 量 。