新型光學加速度傳感器動力學性能設計

　　引 言

　　動力學振動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劣。針對基于菲涅耳衍射微透鏡的新型光學加速度傳感器設計了一種簡單實用的敏感加速度的振動系統，它是由一個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，在微型驅動器、微位移計、微陀螺儀及其他慣性傳感器中也有著重要的應用，在微機電系統(MEMS)中發揮著重要的作用。目前，MEMS中類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簡單的MEMS工藝加工的，可以通過改變硅片的厚度和彈性臂的寬度來設計不同的彈性系數和振動系統的固有頻率，以滿足傳感器的要求。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 傳感器動力學系統的工作原理

　　如圖1所示，把一個反光膜平行地置于菲涅耳衍射微透鏡(以下簡稱“微透鏡”)的一側，固定一個敏感加速度的微質量于反光膜后面，光纖端部置于微透鏡的匯聚點處。光的發射和接收可由同一根光纖來完成，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，這就形成了一個由微質量、反光膜、微彈簧和外框架構成的振動系統。

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

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

　　式中aω2為被測物體的加速度幅值?？梢娭灰逃蓄l率遠高于被測物體的振動頻率，反光膜與微透鏡間的相對運動的振幅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實現獲取，從而通過檢測光強的變化來實現加速度的測量。

　　2 動力學系統的設計

　　2.1 結構設計

　　針對這種新型MEMS光學傳感器對動力學系統的要求，設計了一種結構簡單實用的一維振動系統，它包含傳感器中的微彈簧、反光膜和微質量。它是由一個微彈性機械結構(以下簡稱“微結構”)的4個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個完全相同的彈性臂，相當于傳感器中的微彈簧，單個彈性臂如圖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。整個微結構的當量質量相當于傳感器中的微質量。微結構的厚度與彈性臂的寬度可以根據彈性系數和振動系統固有頻率的要求來選擇。整個微結構可在一塊光滑等厚的硅片上通過光刻、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性，對于彈性系數的分析可以把其中的一個臂分離出來做靜力分析。這里，先用能量法來求集中力下單個彈性臂的線性位移。

　　假設在微結構的中心點處施加一個與微結構表面垂直的集中力4F，則每個彈性臂與中心部分相連的A點受到一個大小為F的集中力，A點位置如圖2中所示。這時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，每個彈性臂在集中力F的作用下，產生的總變形位能是

　　式中

　　在集中力F的作用下A點的彈性位移為

　　

　　由式(3)、式(4)可以得到微結構4個彈性臂總的彈性系數公式為

　　

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

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