● 摘要
硅微谐振加速度传感器是新型高精度的微机电系统传感器，由于具有频率信号输出，精度高，抗干扰能力强和结构精巧等诸多优点而受到越来越广泛的重视。 本文选用双端固定音叉作为谐振器，设计了一种硅微谐振式加速度计。其输出频率信号可以克服微机电系统器件输出微弱信号检测的困难。在加速度作用下，质量块的惯性力通过杠杆放大机构施加于音叉轴向，利用音叉谐振频率的变化测量加速度。在每个音叉臂上制作了梳齿结构，用梳齿间的静电力激励音叉产生谐振，并利用其构成的电容检测其振动频率。该加速度计采用体硅工艺制作，设计中除了使用传统的建模与解析的方法外，还使用了有限元分析软件进行了大量辅助分析，对传感器的工作情况进行了仿真。通过模拟和计算，预先估算出谐振器固有频率，应力分布情况以及传感器的基本性能参数，得到音叉臂梁尺寸的最佳取值范围为：长度应在400 ~ 700 之间，梁振动方向的宽度应在3.5 ~ 8 之间，驱动电压应在 之间。这些计算结果是检测电路参数选择的直接依据。经过有限元仿真得到四组优化设计参数，并对于不同的外部加速度进行了传感器的整体模拟，可以近似估算出传感器的灵敏度约为4Hz/g。结构设计将传统的杠杆放大机构与细颈结构进行结合，降低了结构的弯曲刚度，从而解决了应力低损耗传输的问题，经过有限元仿真得到，细颈结构在15 和20 时模拟铰链的效果最好。 传感器目前在加工当中，本文给出了设计的测试方案，信号处理、检测将在后续的工作中完成。关键词：谐振，加速度传感器，双端固定音叉，有限元，检测