硅微谐振式加速度计结构设计与仿真优化

王超，胡启方，王岩，张玲，庄海涵

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）



硅微谐振式加速度计结构设计与仿真优化

王超，胡启方，王岩，张玲，庄海涵

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

硅微谐振加速度计以高精度的频率信号输出成为硅微传感器的研制热点之一。在分析硅微谐振式加速度计工作机理的基础上，采用一种新的基于双检测质量块和谐振音叉低附加质量的硅微谐振式加速度计结构形式。运用ANSYS对加速度计关键结构尺寸进行仿真优化，明确了关键结构尺寸的变化对加速度计性能的影响规律。结果表明：杠杆支撑梁长度、杠杆支撑梁宽度、杠杆支撑梁位置、音叉梁宽度、梳齿宽度和质量块支撑梁宽度对整体结构性能影响最大。所设计的加速度计谐振基频约为21kHz，标度因数为92Hz/g，在±30g加速度输入下非线性达到0.322‰。

谐振加速度计；DETF；结构优化；有限元分析；模态分析

0　引言

硅微谐振式加速度计是一种利用振梁的力频特性，通过检测谐振频率变化量来获取载体加速度的微机械惯性器件，具有频率信号输出稳定性好、灵敏度高、精度高和抗干扰等优点，已成为微传感器的研究热点之一。Draper实验室对谐振加速度计的研究一直处于国际领先地位［1］，研究开发的硅微谐振式加速度计标度因数月稳定性达0.73×10-6，零偏月稳定性达2μg。美国UC.Berkeley大学应用SOI-MEMS加工工艺研制的基于两级微杠杆机构的谐振式微加速度计［2］，灵敏度达160Hz/g。此外，意大利米兰理工［3］、法国宇航局［4］、韩国首尔大学［5］等均开展了相关研究。……