推挽式谐振加速度传感器设计及仿真研究*

都捷豪， 石云波， 李 飞， 赵 锐， 曹慧亮， 刘翔天

(中北大学 电子测试技术国防科技重点实验室，山西 太原 030051)

0 引 言

硅微谐振式加速度计可以将外界的加速度信号转变为频率信号进行输出，具有体积小、精度高、价格低、易于生产等特点。随着传统行业如汽车、航天和武器制导等行业需求越来越大，并伴随着手机、玩具、可穿戴设备在内的消费电子产品迅速崛起，对硅微谐振式加速度计性能有了更高的要求。其中，美国Draper实验室采用了差分输出的谐振式加速度计，谐振频率达到20 kHz，有效灵敏度为100 Hz/gn[1,2]。伯克利分校提及了一种应用于地震监测的微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)谐振式加速度样机，其特点是在质量块和双端固定音叉之间加入了杠杆机构，放大了质量块的惯性力，最终使灵敏度提高至160 Hz/gn[3]。南京理工大学苏岩教授通过两级杠杆放大结构和差分输出的双端固定音叉(double-ended tuning forks,DETF)谐振器，设计出样机尺寸约为45 mm×30 mm×20 mm的加速度计，零偏不稳定度达到1 μgn，分辨率为2.5 μgn/Hz[4]。清华大学通过对结构的优化和测试电路补偿技术，减少环境温度变化导致的谐振频率的变化。使零偏稳定性降低到10 μgn[5]。为了提升加速度计的灵敏度和精确度，从而提出本文所设计结构。

本文采用微杠杆和双端固定音叉差动输出的方式设计了一种新型的单轴推挽式谐振加速度传感器，提高了谐振式加速度传感器的输出灵敏度，解决了两个独立谐振器受力不同的问题。

1 工作原理与结构设计

1.1 工作原理

推挽式谐振加速度计在工作时将加速度信号转换成谐振器的谐振频率，通过测量谐振梁频率的变化量从而得到载体的加速度[6]。……