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静电力反馈微加速度计的吸合失效
xiao_xiao1 发表于 2009/7/22 15:40:44 653 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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关键词：微加速度计；吸合失效；稳定性；可靠性；静电力
对于静电力反馈微加速度计，其微机械敏感表头中的敏感质量与固定结构部分常发生吸合。使加速度计失效。
已有的研究初步揭示了引起吸合的原因：1)表面效应使敏感质量与固定结构发生粘附。这种动、定结构在表面效应作用下的直接粘连，可通过在结构中加入如图1所示的止挡结构来解决。止挡限制了敏感质量偏移量，从而避免动、定结构发生大面积接触并粘连。2)在量程内，静电力引起吸合。文指出，以往对静电力负刚度ke的计算存在偏差，导致由稳定条件km>ke(km为弹性支承梁的机械刚度)得出的理论量程偏高。离心机实验中，输入远未达到量程极限就因稳定条件不满足而失稳发生吸合。
针对上述原因，设计中采取了改进措施：1)敏感表头中设计了止挡结构；2)修正了静电负刚度的计算，在全量程范围满足稳定条件km>ke。
离心机实验表明，改进后的加速度计能达到设计量程而不发生吸合失效。实验中也发现，加速度计开机上电瞬间，或正常工作中受一定强度的机械冲击，仍可能发生吸合失效，影响了可靠性。
针对仍存在的吸合失效，作者进行了进一步的探讨和实验研究，并得出彻底避免吸合的方法。
1 吸合原因的推断
加速度计在开机瞬间可能受到静电力冲击，在开环和闭环工作状态可能受到外界的机械冲击。如果未建立闭环反馈或反馈不能准确响应，冲击将使敏感质量(动片)偏离平衡位置，若冲击强度较高，就可能出现以下两种情形而导致吸合失效。
1)加工误差导致实际的止挡结构失去限位作用，动、定极板接触，因表面效应而粘附在一起。
2)动片撞上止挡结构，与止挡有小面积接触，表面粘附力不强，但动片所受静电力非回复力，且大小超过弹性支承梁的弹性回复力，使动片被静电力“吸住”贴于止挡上无法回复平衡位置。
2 吸合发生条件的理论分析
加速度计敏感表头的简化模型如图2所示。
设动、定极板相对面积为S，动极板质量为m，平衡位置时其与定极板的间隙为d0，与止挡的间隙为ds，弹性梁的机械刚度为km，极板间电介质介电常数为ε，两侧定极板施加极性相反的直流偏压Vref相位相差180°的正弦载波Vcsinωt。动极板加反馈电压Vfb。载波幅值比Vref和Vfb小1～2个数量级，对静电力的贡献可忽略，故以下分析不考虑载波。
下面按加速度计的三种不同工作状态来讨论式(2)的不同形式。
2．1 正常的闭环工作状态
由于处于深度负反馈状态，动极板被控制在平衡位置附近，｜x｜《d0，可近似为0，由式(2)得正常闭环工作状态下的静电力为
比照机械刚度的定义，定义闭环状态下，静电力所致静电刚度为
由式(5)知，Vfb随输入加速度加大而增大时，ke1也增大。若在满量程范围内以下条件均满足
km>ke1. (6)
这样，加速度计可以满量程正常闭环工作而不失稳发生吸合，称式(6)为第一稳定条件，也即是文中得出的稳定条件。
2．2 开环工作状态
此时，未建立闭环反馈，vfb=0，由式（2）得到开环状态下的静电力为
由式（8）知，ke2随x增大而增大，如他图3所示。
可以看出，当x大于临界值xcr时，不再满足km>ke，若止挡设计在ds2位置，则动极板将撞上止挡结构发生吸合。相反，若止挡设计在ds1位置，则在x的可能取值范围内，均满足条件
加速度计开环工作时一定不会吸合失效。称式(9)为第二稳定条件。
由式(8)和(9)可知，Vref取值增大，图3中ke2的曲线将左移，不利于满足第二稳定条件。也表明，对于有止挡的加速度计，Vref由零开始增大，开环下受足够强度冲击，将由不发生吸合过渡到发生吸合，其间必有临界Vref值。这也是设计3．2节实验的依据。
2．3 闭环工作时受冲击，动极板偏离平衡位置
加速度计闭环工作时，若所受冲击的强度或频率超过加速度计量程或频带，因反馈力不足或闭环系统未能准确响应，使动极板严重偏移甚至撞上止挡，此过程动极板所受静电力仍由式(2)确定。
极限情况是动极板撞上止挡后吸合：此时Vfb为饱和输出Vfb-max，由电路中运放的最大输出决定，动极板的位移由止挡间隙决定，x=ds，代入式(2)，可求出此时的静电力
吸合时，静电力必大于弹性梁的机械回复力，由此得出，闭环时受冲击不发生吸合的条件是
称式(11)为第三稳定条件。
图4显示了参数Vref、Vft-max取不同值时，Fe-cf/ds随ds在(0，d0)内的变化情况(图中Vref<Vrefz，Vfb-max1>Vfb-max2)。Fe-cf/ds随ds增大而增大，ds大于某个临界值，式(11)将不再满足，加速度计闭环状态受较强冲击会发生吸合。增大Vref取值，降低饱和反馈电压Vfb-max，均利于满足第三稳定条件。
值得说明，第三稳定条件保证了加速度计闭环工作时经受任何冲击不发生吸合。而工程实际中，加速度计在特定工作环境中所受冲击的强度和频率都是有限度的，只要不超出量程和频带范围，即使第三稳定条件不满足，加速度计也能可靠使用。
设计时，如以上3个稳定条件都能得到满足，则可以彻底避免加速度计发生吸合失效。
影响3个稳定条件的机械及电参数较多，进行加速度计设计时应综合考虑，选取合适的参数值。
以止挡间隙ds的选取为例作简单说明。假设其余参数已确定，根据3个稳定条件得出ke1、ke2Fe-cf/ds与ds的关系如图5所示。其中ke1取加速度输入达到满量程时的值。
由图5知，止挡间隙的取值在区间(O，ds1)内选取，可以保证同时满足3个稳定条件。
3 实验验证
验证实验选用了两种自行设计的梳齿式加速度计，参数见表1。设计时已考虑了满足第一稳定条件，离心机实验表明两种加速度计均能达到设计量程。证明第一稳定条件是成立的。
3．1 无直流偏压的开环冲击实验
验证是否发生第2节中第1)种情形所述的动、定齿直接接触粘附。实验时，加速度计开环工作，不加直流偏压，式(1)中Vref、Vfb均为零，因此动极板不受静电力。对样表施以约60g的机械冲击，由开环输出判断是否发生粘附失效。理论计算表明，对Ⅰ、Ⅱ型敏感表头的冲击分别大于42g、49．5g，动片的偏移量就将超过动、定齿间隙。
共对4只加速度计分别进行了多次实验，筛选出未发生粘附的1#、2#、3#，作为后面实验用的样品。本实验证明了这3只加速度计的止挡结构起到限位作用，避免了动、定齿直接粘附。
3．2 不同直流偏压的开环冲击实验
验证是否存在第二稳定条件所预示的临界直流偏压，使样品在受冲击时发生吸合失效。
加速度计开环工作，由低到高选取不同的Vref值，每个取值下，对样品进行多次强度约为60g的机械冲击，通过开环输出观察是否发生吸合失效，直至找到临界Vref值。实验结果见表2。
可以看到，不同Vref下，冲击造成的最大输出基本相同，约7．2V，低于电路的饱和输出电压8V，表明止挡限制了动片的最大位移。当Vref=2．65V时，冲击使动片撞上止挡并吸合，表明2．65V为临界的Vref，第二稳定条件不再满足，根据式(8)、(9)，可估算出敏感表头的实际止挡间隙ds，各实验样品的临界Vref及ds估算值见表3。
由表3数据知，估算出的止挡间隙值均小于动、定齿间隙，说明止挡结构起到了限位作用。1#、2#样品的估箅值与设计值非常接近，而3#样品相差较大，这是因为敏感表头Ⅰ的加工工艺误差小，Ⅱ型敏感表头的加工误差则大得多。实验结果与由第二稳定条件推导的结论相符。
3．3 闭环冲击实验
本实验要检验样表闭环工作时受冲击是否出现吸合，与由第三稳定条件得出的推断进行比较。分别取不同的直流偏压，闭环状态下进行多次冲击，强度约30g，观察是否发生吸合，实验结果及由第三稳定条件得出的临界止挡间隙ds-cr见表4，ds-cr均比4．2中测算出的实际值小，故本实验条件下3只样表都不满足第三稳定条件，闭环状态下受冲击将发生吸合。实验结果证实了这一推断。
4 结 论
本文较深入地分析了静电力反馈微加速度计发生吸合失效的机理，并推导出不同工作状态下判断是否吸合的3个稳定条件，可以解释研究中出现的各种吸合现象，也得到了验证实验的证实。这3个稳定条件对于静电力反馈微加速度计的可靠性设计具有参考意义，设计时通过选择合理的机械及电参数，满足稳定条件，可以避免吸合失效的发生。