靜電力反饋微加速度計的吸合失效

摘  要：靜電力反饋微加速度計的敏感質量與固定結構部分因靜電力作用發(fā)生吸合失效，嚴重影響加速度計的可靠性。為根本解決吸合問題，分析了加速度計在開環(huán)、閉環(huán)的不同工作狀戀下發(fā)生吸合的機理，推導出由靜電力、機械剛度和止擋間隙等參數(shù)確定的3個穩(wěn)定條件，用于判斷吸合是否發(fā)生。實驗證明了穩(wěn)定條件是正確的。工程實際中，3個穩(wěn)定條件可以指導此類加速度計的可靠性設計，通過選擇合理的機械及電氣參數(shù)，可以完全避免發(fā)生吸合失效。
關鍵詞：微加速度計；吸合失效；穩(wěn)定性；可靠性；靜電力 

    對于靜電力反饋微加速度計，其微機械敏感表頭中的敏感質量與固定結構部分常發(fā)生吸合。使加速度計失效。
    已有的研究初步揭示了引起吸合的原因：1)表面效應使敏感質量與固定結構發(fā)生粘附。這種動、定結構在表面效應作用下的直接粘連，可通過在結構中加入如圖1所示的止擋結構來解決。止擋限制了敏感質量偏移量，從而避免動、定結構發(fā)生大面積接觸并粘連。2)在量程內，靜電力引起吸合。文指出，以往對靜電力負剛度ke的計算存在偏差，導致由穩(wěn)定條件km>ke(km為彈性支承梁的機械剛度)得出的理論量程偏高。離心機實驗中，輸入遠未達到量程極限就因穩(wěn)定條件不滿足而失穩(wěn)發(fā)生吸合。

    針對上述原因，設計中采取了改進措施：1)敏感表頭中設計了止擋結構；2)修正了靜電負剛度的計算，在全量程范圍滿足穩(wěn)定條件km>ke。
    離心機實驗表明，改進后的加速度計能達到設計量程而不發(fā)生吸合失效。實驗中也發(fā)現(xiàn)，加速度計開機上電瞬間，或正常工作中受一定強度的機械沖擊，仍可能發(fā)生吸合失效，影響了可靠性。
    針對仍存在的吸合失效，作者進行了進一步的探討和實驗研究，并得出徹底避免吸合的方法。

1 吸合原因的推斷
    加速度計在開機瞬間可能受到靜電力沖擊，在開環(huán)和閉環(huán)工作狀態(tài)可能受到外界的機械沖擊。如果未建立閉環(huán)反饋或反饋不能準確響應，沖擊將使敏感質量(動片)偏離平衡位置，若沖擊強度較高，就可能出現(xiàn)以下兩種情形而導致吸合失效。
    1)加工誤差導致實際的止擋結構失去限位作用，動、定極板接觸，因表面效應而粘附在一起。
    2)動片撞上止擋結構，與止擋有小面積接觸，表面粘附力不強，但動片所受靜電力非回復力，且大小超過彈性支承梁的彈性回復力，使動片被靜電力“吸住”貼于止擋上無法回復平衡位置。

2 吸合發(fā)生條件的理論分析
    加速度計敏感表頭的簡化模型如圖2所示。

    設動、定極板相對面積為S，動極板質量為m，平衡位置時其與定極板的間隙為d0，與止擋的間隙為ds，彈性梁的機械剛度為km，極板間電介質介電常數(shù)為ε，兩側定極板施加極性相反的直流偏壓Vref相位相差180°的正弦載波Vcsinωt。動極板加反饋電壓Vfb。載波幅值比Vref和Vfb小1～2個數(shù)量級，對靜電力的貢獻可忽略，故以下分析不考慮載波。

    下面按加速度計的三種不同工作狀態(tài)來討論式(2)的不同形式。

2．1 正常的閉環(huán)工作狀態(tài)
    由于處于深度負反饋狀態(tài)，動極板被控制在平衡位置附近，｜x｜《d0，可近似為0，由式(2)得正常閉環(huán)工作狀態(tài)下的靜電力為

   
    比照機械剛度的定義，定義閉環(huán)狀態(tài)下，靜電力所致靜電剛度為

   

    由式(5)知，Vfb隨輸入加速度加大而增大時，ke1也增大。若在滿量程范圍內以下條件均滿足

    km>ke1.                 (6)

    這樣，加速度計可以滿量程正常閉環(huán)工作而不失穩(wěn)發(fā)生吸合，稱式(6)為第一穩(wěn)定條件，也即是文中得出的穩(wěn)定條件。

2．2  開環(huán)工作狀態(tài)
    此時，未建立閉環(huán)反饋，vfb=0，由式（2）得到開環(huán)狀態(tài)下的靜電力為

由式（8）知，ke2隨x增大而增大，如他圖3所示。