复合梁加速度计的设计

　　加速度计广泛应用于航空、电子、汽车和机械领域的振动和冲击测量。随着微机电MEMS 产业的兴起, 加速度计逐渐向微型化、集成化方向发展。由于微加速度计具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、易批量生产等优点, 因此具有广泛的军事和民用前景。其中压阻式加速度计由于具有线性度好、外围电路简单、抗过载能力强等优点而广泛应用于冲击环境的加速度测量[ 1] 。而基于不同冲击环境的测量需求, 压阻式加速度计中的高g 值加速度计更是受到广泛的关注。现有高g 值加速度计的结构有悬臂梁结构、固支梁结构和双岛五梁等结构, 这些结构无法同时满足一阶固有频率高、频响范围宽和较好的抗冲击性能等要求, 在解决此问题的基础上提出了复合梁结构的加速度计。

　　1 结构对比

　　高g 加速度传感器最典型的应用是硬目标的侵彻或贯穿装甲, 因此要求具有高过载、高响应速度、高压力环境以及高可靠性等特点。传统的高g加速度计结构为如图1 所示的四边四梁, 结合现有结构的有缺点设计了一种双框架复合梁结构的高g加速度计, 如图2 所示。该结构和现有结构相比具有更好的抗过载能力。

　　在利用AN SYS 进行有限元仿真分析时先做以下假设:

　　1) 由于单晶硅材料具有良好的弹性、均匀性,检测质量的位移又很小等特点, 可以用弹性力学理论进行力学分析。

　　2) 线性假设, 在分析线性弹性体系时, 假定节点位移无限小; 材料的应力应变关系满足胡克定律;加载时边界条件的性质保持不变。在对微加速度计进行结构分析时, 可以作为线性问题处理[ 2] 。

　　3) 双框架结构的内框架、内梁和质量块的总重量等于单框架结构质量块的重量, 两种结构外框架尺寸相等。

　　2 结构仿真

　　2. 1 材料及参数设定

　　在进行结构仿真比较之前还需考虑硅衬底的类型, 因为单晶硅压阻系数是各向异性的, 不同晶面不同晶向的的压阻系数是不同的[ 3] 。对各向异性腐蚀而言, ( 100) 晶面腐蚀效果最佳, 所以选择( 100) 晶面。若选N 型压阻Pl = - 31. 2, Pt = - 17. 6; 若选P型压阻, Pl = 68. 8, Pt = - 69. 3, 可见P 型压阻具有最大压阻系数, 且方向相反, 所以我们选用N ( 100)硅片, 在N 型硅衬底上离子注入硼得到P 型压敏电阻。

　　采用硅材料( 100) 晶面[ 110] 晶向上的属性参数建模[ 4] , 弹性模量E = 190 GPa, 泊松比为0. 3, 密度为2 330 kg / m3 , 单元类型为SOLID185。

　　2. 2 模态分析[ 5]

　　提取模型前四阶模态, 进入模态仿真求解。如图3 所示, 为前四阶模态振型。一阶模态为质量块垂直x y 平面, 沿z 轴的上下运动, 第二阶模态为质量块绕x 轴的转动, 第三阶模态为质量块绕y 轴的转动, 第四阶模态为沿x 轴方向平动, 又绕y 轴转动。