在线客服
企业微信
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。
