新型光學(xué)加速度傳感器動(dòng)力學(xué)性能設計

　　引 言

　　動(dòng)力學(xué)振動(dòng)系統是眾多慣性傳感器中的重要組成部分，其參數的選取決定了傳感器的性能的優(yōu)劣。針對基于菲涅耳衍射微透鏡的新型光學(xué)加速度傳感器設計了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的敏感加速度的振動(dòng)系統，它是由一個(gè)微彈性機械結構連接在外框架上構成。微彈性機械結構不僅是微型加速度傳感器重要組成部分，而且，在微型驅動(dòng)器、微位移計、微陀螺儀及其他慣性傳感器中也有著(zhù)重要的應用，在微機電系統(MEMS)中發(fā)揮著(zhù)重要的作用。目前，MEMS中類(lèi)似于微彈性機械結構的敏感裝置主要有硅懸臂梁、直角彈性結構及結構更復雜的硅彈簧等。微彈性機械結構是在一塊硅片上通過(guò)簡(jiǎn)單的MEMS工藝加工的，可以通過(guò)改變硅片的厚度和彈性臂的寬度來(lái)設計不同的彈性系數和振動(dòng)系統的固有頻率，以滿(mǎn)足傳感器的要求。具體討論了微彈性機械結構參數的選取，并且，模擬分析了傳感器的性能和誤差。

　　1 傳感器動(dòng)力學(xué)系統的工作原理

　　如圖1所示，把一個(gè)反光膜平行地置于菲涅耳衍射微透鏡(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“微透鏡”)的一側，固定一個(gè)敏感加速度的微質(zhì)量于反光膜后面，光纖端部置于微透鏡的匯聚點(diǎn)處。光的發(fā)射和接收可由同一根光纖來(lái)完成，則光纖接收光強的大小隨反光膜位置的變化而改變。因此，通過(guò)檢測光纖中接收光強的變化可以獲取反光膜位置的變化。

　　微彈簧一端與反光膜固定連接，另一端固定在傳感器的外框架上，這就形成了一個(gè)由微質(zhì)量、反光膜、微彈簧和外框架構成的振動(dòng)系統。

　　把傳感器固定在被測物體上，設被測物體的振動(dòng)方程為xs=asinωt，令Y表示反光膜相對于微透鏡的穩態(tài)響應的振動(dòng)幅值，則

　　式中a為常數;ω為被測物體的振動(dòng)頻率;ωn為該振動(dòng)系統的一階固有頻率;ζ為阻尼比。當ωn》ω時(shí)，式(1)可以改寫(xiě)為

　　式中aω2為被測物體的加速度幅值?？梢?jiàn)只要固有頻率遠高于被測物體的振動(dòng)頻率，反光膜與微透鏡間的相對運動(dòng)的振幅Y正比于被測物體的加速度幅值aω2。而振幅Y可由檢測光纖接收的光強來(lái)實(shí)現獲取，從而通過(guò)檢測光強的變化來(lái)實(shí)現加速度的測量。

　　2 動(dòng)力學(xué)系統的設計

　　2.1 結構設計

　　針對這種新型MEMS光學(xué)傳感器對動(dòng)力學(xué)系統的要求，設計了一種結構簡(jiǎn)單實(shí)用的一維振動(dòng)系統，它包含傳感器中的微彈簧、反光膜和微質(zhì)量。它是由一個(gè)微彈性機械結構(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“微結構”)的4個(gè)臂端固定在外框架上構成，微結構如圖2(a)所示，它的四周是4個(gè)完全相同的彈性臂，相當于傳感器中的微彈簧，單個(gè)彈性臂如圖2(b)所示。微結構與微透鏡相鄰的一側蒸鍍上一層鋁或銀構成了傳感器中的反光膜。整個(gè)微結構的當量質(zhì)量相當于傳感器中的微質(zhì)量。微結構的厚度與彈性臂的寬度可以根據彈性系數和振動(dòng)系統固有頻率的要求來(lái)選擇。整個(gè)微結構可在一塊光滑等厚的硅片上通過(guò)光刻、深反應離子刻蝕(DRIE)、金屬膜蒸鍍等幾步完成。

　　2.2 參數設計

　　2.2.1 彈性系數

　　由于該微結構具有對稱(chēng)性，對于彈性系數的分析可以把其中的一個(gè)臂分離出來(lái)做靜力分析。這里，先用能量法來(lái)求集中力下單個(gè)彈性臂的線(xiàn)性位移。

　　假設在微結構的中心點(diǎn)處施加一個(gè)與微結構表面垂直的集中力4F，則每個(gè)彈性臂與中心部分相連的A點(diǎn)受到一個(gè)大小為F的集中力，A點(diǎn)位置如圖2中所示。這時(shí)彈性臂截面的軸力和剪力引起的變形很小，可以忽略不計，主要是彎矩和扭矩引起的變形。因此，每個(gè)彈性臂在集中力F的作用下，產(chǎn)生的總變形位能是

　　式中

　　在集中力F的作用下A點(diǎn)的彈性位移為

　　

　　由式(3)、式(4)可以得到微結構4個(gè)彈性臂總的彈性系數公式為

　　

　　為驗證理論的正確性，同時(shí)，用有限元模擬工具AN-SYS對彈性臂進(jìn)行數值模擬，各參數取值為：F=1

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