中心議題：
- 設(shè)計傳感器的動力學振動系統(tǒng)
- 討論該系統(tǒng)參數(shù)的選取
- 分析模擬傳感器的性能
解決方案：
- 通過改變硅片厚度和彈性臂寬度來設(shè)計不同彈性系數(shù)和振動系統(tǒng)的固有頻率
- 通過檢測光纖中接收光強的變化獲取反光膜位置的變化
- 設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單實用的一維振動系統(tǒng)
引 言
動力學振動系統(tǒng)是眾多慣性傳感器中的重要組成部分，其參數(shù)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加速度傳感器設(shè)計了一種簡單實用的敏感加速度的振動系統(tǒng)，它是由一個微彈性機械結(jié)構(gòu)連接在外框架上構(gòu)成。微彈性機械結(jié)構(gòu)不僅是微型加速度傳感器重要組成部分，而且，在微型驅(qū)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(tǒng)(MEMS)中發(fā)揮著重要的作用。目前，MEMS中類似于微彈性機械結(jié)構(gòu)的敏感裝置主要有硅懸臂梁、直角彈性結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)更復雜的硅彈簧等。微彈性機械結(jié)構(gòu)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(shè)計不同的彈性系數(shù)和振動系統(tǒng)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(jié)構(gòu)參數(shù)的選取，并且，模擬分析了傳感器的性能和誤差。
傳感器動力學系統(tǒng)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(cè)，固定一個敏感加速度的微質(zhì)量于反光膜后面，光纖端部置于微透鏡的匯聚點處。光的發(fā)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(zhì)量、反光膜、微彈簧和外框架構(gòu)成的振動系統(tǒng)。
把傳感器固定在被測物體上，設(shè)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(wěn)態(tài)響應的振動幅值，則
式中a為常數(shù)；ω為被測物體的振動頻率；ωn為該振動系統(tǒng)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。可見只要固有頻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(xiàn)獲取，從而通過檢測光強的變化來實現(xiàn)加速度的測量。
動力學系統(tǒng)的設(shè)計
a.結(jié)構(gòu)設(shè)計
針對這種新型MEMS光學傳感器對動力學系統(tǒng)的要求，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單實用的一維振動系統(tǒng)，它包含傳感器中的微彈簧、反光膜和微質(zhì)量。它是由一個微彈性機械結(jié)構(gòu)(以下簡稱“微結(jié)構(gòu)”)的4個臂端固定在外框架上構(gòu)成，微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與微透鏡相鄰的一側(cè)蒸鍍上一層鋁或銀構(gòu)成了傳感器中的反光膜。整個微結(jié)構(gòu)的當量質(zhì)量相當于傳感器中的微質(zhì)量。微結(jié)構(gòu)的厚度與彈性臂的寬度可以根據(jù)彈性系數(shù)和振動系統(tǒng)固有頻率的要求來選擇。整個微結(jié)構(gòu)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。
b. 參數(shù)設(shè)計
彈性系數(shù)
由于該微結(jié)構(gòu)具有對稱性，對于彈性系數(shù)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(shè)在微結(jié)構(gòu)的中心點處施加一個與微結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的總變形位能是
式中 
為l1桿的轉(zhuǎn)角；It為相當極慣性矩，當h≥b時，It=βhb3，β由h/b的數(shù)值決定，當h
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(jié)構(gòu)4個彈性臂總的彈性系數(shù)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(shù)值模擬，各參數(shù)取值為：F=1 ×10-4N，E=1.69×1011N／m2，G=7.26 ×1010N／m2，l1=2600μm，l2=400μm，b=200 μm，h=200μm，可得到單個彈性臂在A點受到集中力F的作用下的位移為0 0244μm。因此，彈性系數(shù)數(shù)值模擬值k=4 × 10-4／2.44×10-8=1.64×104(N／m)，而由式(5)代入上述參數(shù)可得理論分析值k=1.63 ×104N／m，兩者相對誤差為0.6％。
分別用理論方法和ANSYS數(shù)值模擬方法得出了在b=200μm時彈性系數(shù)k隨微結(jié)構(gòu)厚度h的變化情況，以及在h=50 μm時彈性系數(shù)k隨彈性臂寬度b的變化情況，分別如圖3(a)，(b)所示。圖3(a)中，2種計算方法求出的彈性系數(shù)的平均相對誤差為0.86％，圖3(b)中平均相對誤差為1.06％。可見2種方法計算出來的結(jié)果基本吻合。從上述分析可知，在彈簧臂總長確定的情況下，彈簧的彈性系數(shù)取決于微結(jié)構(gòu)的厚度h和彈性臂的寬度b，而且，和6的關(guān)系近似于線性，因此，可以根據(jù)動力學系統(tǒng)的具體要求和加工的工藝性能來選擇合理的h和b，從而滿足傳感器整體性能的要求。
一階固有頻率
振動系統(tǒng)的固有頻率公式為
，m為微結(jié)構(gòu)的當量質(zhì)量，這里面含有每個彈性臂簡化到A點的等效質(zhì)量，鑒于等效質(zhì)量求出來誤差較大，僅用有限元模擬工具ANSYS對振動系統(tǒng)進行模態(tài)分析。模擬中，取硅的密度為ρ=2330 kg／m3，l3=l4=2000μm參數(shù)含義如圖2所示，其余取上述給定的數(shù)值，則振動系統(tǒng)的一階固有頻率為22.37 kHz，在垂直于微結(jié)構(gòu)平面的方向上振動。同時，模擬出了彈性臂寬度b=200μm時，一階固有頻率f和微結(jié)構(gòu)厚度h的關(guān)系圖如圖4所示?？梢娬駝酉到y(tǒng)的一階固有頻率和微結(jié)構(gòu)的厚度h近似地保持線性的關(guān)系。
傳感器性能分析
由于光纖接收的光強隨反光膜位置按照正弦規(guī)律變化，并且，周期為λ／2，因此，必須為反光膜選擇一個合適的工作點和工作區(qū)間。另外，考慮傳感器靈敏度、加速度測量范圍、頻率范圍和加工工藝等因素，作如下配置：用λ=632.8 nm的單色光作為光源，選定反光膜所在的線性最好的點為工作點，反光膜的振動范圍dm=20 nm，其他參數(shù)值均取上述的模擬值，由胡克定律F=kdm、牛頓第二定律F=mam和振動系統(tǒng)的一階固有頻率公式 
可以求出傳感器的量程約為±395 m／s2，測量頻率范圍取動力學系統(tǒng)固有頻率的20％，約為1～4.5 kHz，上述am為傳感器的加速度量程。
由式(1)、式(2)可知，實際測量中存在著一個誤差因子δ，即
式中a′和a分別為加速度的測得值和真實值。δ和阻尼比ζ與被測物體的頻率ω有關(guān)，當ζ=0.65～0.07時，ζ最接近1，因此，取ζ=0.65進行計算機模擬，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯罕粶y頻率比較小的時候測得的加速度值更接近于真實值，當ω／ωn=0.2時，ζ=1.0054，因此，傳感器在設(shè)定的頻率范圍1～4.5 kHz的誤差不大于0.54％。
結(jié)論
設(shè)計了傳感器的動力學振動系統(tǒng)，并對參數(shù)的選取進行了討論分析，最后，分析模擬了傳感器的性能。改變微彈性機械結(jié)構(gòu)的參數(shù)可以得到不同性能的傳感器，對眾多的慣性傳感器和其他MEMS設(shè)計具有指導意義。
