摘  要：靜電力反饋微加速度計(jì)的敏感質(zhì)量與固定結(jié)構(gòu)部分因靜電力作用發(fā)生吸合失效，嚴(yán)重影響加速度計(jì)的可靠性。為根本解決吸合問題，分析了加速度計(jì)在開環(huán)、閉環(huán)的不同工作狀戀下發(fā)生吸合的機(jī)理，推導(dǎo)出由靜電力、機(jī)械剛度和止擋間隙等參數(shù)確定的3個(gè)穩(wěn)定條件，用于判斷吸合是否發(fā)生。實(shí)驗(yàn)證明了穩(wěn)定條件是正確的。工程實(shí)際中，3個(gè)穩(wěn)定條件可以指導(dǎo)此類加速度計(jì)的可靠性設(shè)計(jì)，通過選擇合理的機(jī)械及電氣參數(shù)，可以完全避免發(fā)生吸合失效。
關(guān)鍵詞：微加速度計(jì)；吸合失效；穩(wěn)定性；可靠性；靜電力 

    對(duì)于靜電力反饋微加速度計(jì)，其微機(jī)械敏感表頭中的敏感質(zhì)量與固定結(jié)構(gòu)部分常發(fā)生吸合。使加速度計(jì)失效。
    已有的研究初步揭示了引起吸合的原因：1)表面效應(yīng)使敏感質(zhì)量與固定結(jié)構(gòu)發(fā)生粘附。這種動(dòng)、定結(jié)構(gòu)在表面效應(yīng)作用下的直接粘連，可通過在結(jié)構(gòu)中加入如圖1所示的止擋結(jié)構(gòu)來解決。止擋限制了敏感質(zhì)量偏移量，從而避免動(dòng)、定結(jié)構(gòu)發(fā)生大面積接觸并粘連。2)在量程內(nèi)，靜電力引起吸合。文指出，以往對(duì)靜電力負(fù)剛度ke的計(jì)算存在偏差，導(dǎo)致由穩(wěn)定條件km>ke(km為彈性支承梁的機(jī)械剛度)得出的理論量程偏高。離心機(jī)實(shí)驗(yàn)中，輸入遠(yuǎn)未達(dá)到量程極限就因穩(wěn)定條件不滿足而失穩(wěn)發(fā)生吸合。

    針對(duì)上述原因，設(shè)計(jì)中采取了改進(jìn)措施：1)敏感表頭中設(shè)計(jì)了止擋結(jié)構(gòu)；2)修正了靜電負(fù)剛度的計(jì)算，在全量程范圍滿足穩(wěn)定條件km>ke。
    離心機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)后的加速度計(jì)能達(dá)到設(shè)計(jì)量程而不發(fā)生吸合失效。實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，加速度計(jì)開機(jī)上電瞬間，或正常工作中受一定強(qiáng)度的機(jī)械沖擊，仍可能發(fā)生吸合失效，影響了可靠性。
    針對(duì)仍存在的吸合失效，作者進(jìn)行了進(jìn)一步的探討和實(shí)驗(yàn)研究，并得出徹底避免吸合的方法。

1 吸合原因的推斷
    加速度計(jì)在開機(jī)瞬間可能受到靜電力沖擊，在開環(huán)和閉環(huán)工作狀態(tài)可能受到外界的機(jī)械沖擊。如果未建立閉環(huán)反饋或反饋不能準(zhǔn)確響應(yīng)，沖擊將使敏感質(zhì)量(動(dòng)片)偏離平衡位置，若沖擊強(qiáng)度較高，就可能出現(xiàn)以下兩種情形而導(dǎo)致吸合失效。
    1)加工誤差導(dǎo)致實(shí)際的止擋結(jié)構(gòu)失去限位作用，動(dòng)、定極板接觸，因表面效應(yīng)而粘附在一起。
    2)動(dòng)片撞上止擋結(jié)構(gòu)，與止擋有小面積接觸，表面粘附力不強(qiáng)，但動(dòng)片所受靜電力非回復(fù)力，且大小超過彈性支承梁的彈性回復(fù)力，使動(dòng)片被靜電力“吸住”貼于止擋上無法回復(fù)平衡位置。

2 吸合發(fā)生條件的理論分析
    加速度計(jì)敏感表頭的簡化模型如圖2所示。

    設(shè)動(dòng)、定極板相對(duì)面積為S，動(dòng)極板質(zhì)量為m，平衡位置時(shí)其與定極板的間隙為d0，與止擋的間隙為ds，彈性梁的機(jī)械剛度為km，極板間電介質(zhì)介電常數(shù)為ε，兩側(cè)定極板施加極性相反的直流偏壓Vref相位相差180°的正弦載波Vcsinωt。動(dòng)極板加反饋電壓Vfb。載波幅值比Vref和Vfb小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)靜電力的貢獻(xiàn)可忽略，故以下分析不考慮載波。

    下面按加速度計(jì)的三種不同工作狀態(tài)來討論式(2)的不同形式。

2．1 正常的閉環(huán)工作狀態(tài)
    由于處于深度負(fù)反饋狀態(tài)，動(dòng)極板被控制在平衡位置附近，｜x｜《d0，可近似為0，由式(2)得正常閉環(huán)工作狀態(tài)下的靜電力為

   
    比照機(jī)械剛度的定義，定義閉環(huán)狀態(tài)下，靜電力所致靜電剛度為

   

    由式(5)知，Vfb隨輸入加速度加大而增大時(shí)，ke1也增大。若在滿量程范圍內(nèi)以下條件均滿足

    km>ke1.                 (6)

    這樣，加速度計(jì)可以滿量程正常閉環(huán)工作而不失穩(wěn)發(fā)生吸合，稱式(6)為第一穩(wěn)定條件，也即是文中得出的穩(wěn)定條件。

2．2  開環(huán)工作狀態(tài)
    此時(shí)，未建立閉環(huán)反饋，vfb=0，由式（2）得到開環(huán)狀態(tài)下的靜電力為

由式（8）知，ke2隨x增大而增大，如他圖3所示。