MEMS加速度计工作原理及仿真

  加速度计物理模型可以简化为二阶质量-弹簧-阻尼系统[15],即m¨x(t)+bચx(t)+kx(t)=ma。式中:m为加速度计结构质量;x为结构位移;t为结构运动时间;b为加速度计阻尼系数;k为结构刚度;a为待测加速度。对式子进行拉氏变换可得ms2x(s)+bsx(s)+k(s)=ma(s)，式中s为复变量。

为了实现低谐振频率下的较高灵敏度测量,可以通过增大质量块质量、减小谐振频率或减小系统阻尼系数来实现。本文通过减小谐振频率的方式来提升器件灵敏度。可通过对悬臂梁结构参数进行优化设计,改变其刚度系数,进而使得谐振频率降低来实现。

电磁加速度计需要外置永磁体施加磁场,根据法拉第电磁感应定律,当闭合电路的一部分导体在磁场里进行切割磁力线的运动时,磁通量的变化会使导体中产生感应电动势(ε),N为闭合回·S)(8)路中线圈匝数;Φ为每匝磁通;B为磁通密度;S为闭合回路的面积矢量。当加速度计受到水平方向的振动时,敏感结构及其上层线圈相对磁铁产生水平方向位移,使得通过线圈的磁通量发生变化。MEMS电磁式加速度计主要由质量块、梁及悬臂其表面的线圈、陶瓷基板及永磁体等部分组成。

在加速度计下方布置永磁体,当加速度计受到振动时,悬臂梁带动质量块产生位移,使得线圈切割磁力线产生正弦电压信号,通过测试输出电压频率、幅度确定加速度大小。
       加速度计结构中设悬计臂及梁仿的真几验何证形状对器件的影响较大,其长度、宽度及形状很大程度决定了器件的固有频率及灵敏度。当加速度计受到固有频率附近的正弦振动时,质量块-悬臂梁会产生较大面内振动。本文加速度计选用的衬底为<100>晶向的n型低阻单晶硅,其泊松比ν=0.27,弹性模量E=1.3×1011P表a。

本文使用两个悬臂梁支撑质量块及上层线圈,为了优化结构设计,使用COMSOL软件建立模型,通过有限元法进行结构仿真,可知敏感结构在一阶模态时在面内加速度计在工作中难免会出现意外情况,因此需要有一定的抗过载能力。通过COMSOL软件采用有限元法进行分析,获得敏感结构所能承受的最大加速度，单晶硅所能承受的应力为70MPa，由于后续需要进行温度最高为280℃的键合,此温度下钕铁硼磁铁的性能参数优于其他永磁体,因此本文选择了NdFeB-35磁铁作为加速度计系统中的永磁体。

V为运动速度。在线圈两侧下方布置极性相反的永磁体,极化方向沿Z轴方向,质量块沿Y轴方向运动。输出电动势大小主要由磁通密度、线圈匝数和闭合回路面积决定。其中闭合回路面积受到中心质量块结构设计及加工工艺限制,因此只能通过增大磁通密度和增加线圈匝数增大电动势,这也是选择NdFeB磁体的原因之一。随后利用COMSOL软件对永磁体的静磁场进行建模和仿真,得到线圏位移区域的磁通密度。磁铁尺寸为0.8cm×0.8cm×0.2cm,通过仿真得到极性相反的永磁体之间的磁通密度。