熊瑞宏,陈 方,李昕欣,3

(1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所,传感技术联合国家重点实验室,上海 200050;2.上海科技大学信息科学与技术学院,上海 200120;3.中国科学院大学,北京 100049)

0 引言

高分辨率微加速度计被广泛应用于地震检测、重力场精密测量、石油探测等。噪声特性的提高对于实现微加速度计高分辨率具有非常重要的意义。

本文提出一种创新型几何反弹簧结构,在此基础上设计了一款新型的反弹簧电容式微加速度计,采用静电力偏置弹性结构降低刚度系数方式提高了灵敏度,并通过实验初步验证了该方案的可行性。

1 MEMS加速度计结构设计

本文设计的加速度计结构如图1所示,主要由可动质量块、几何反弹簧结构、敏感电容、驱动电容组成,器件尺寸为4.2 mm×4.9 mm。在正常工作前,在驱动电容梳齿上施加偏置电压将加速度计可动质量块偏置至梁低刚度位置。

图1 MEMS加速度计结构示意图

2 几何反弹簧结构设计原理与分析

本文设计的加速度计几何反弹簧结构由4根相同的cos函数形状弯曲梁组成,如图2所示。

图2 加速度计弹性结构

2.1 几何反弹簧结构力学特性理论计算

将同一水平高度的2根梁组成一组并联弯曲梁结构,对单组并联弯曲梁结构进行分析,当惯性质量块受到惯性力时,等效于梁中间位置受到载荷,位移时,梁会被轴向压缩,受力分析如图3所示。

图3 单组并联弯曲梁结构受力分析图

梁初始形状用函数表示,梁的宽度为b,厚度为t,梁中间位置初始高度为ym。……