Details

Данная работа посвящена моделированию одномассового микромеханического акселерометра прямого действия с дифференциальным ёмкостным съёмом переменного зазора. Предметом исследования являются динамические характеристики чувствительного элемента, выполненного из монокристаллического кремния ориентации [1 0 0]. Цель работы — построение системной модели акселерометра, а также исследование его поведения в заданном диапазоне частот. В работе использованы аналитические методы, конечно-элементное моделирование и методы синтеза моделей пониженного порядка. На основе КЭ-модели проведены модальный и гармонический анализы. На основе конечно-элементного анализа разработана математическая модель датчика. По результатам численного моделирования синтезирована модель пониженного порядка. В результате получены собственные формы и частоты колебаний чувствительного элемента, выполнен гармонический анализ в диапазоне 5–5000 Гц, построена АЧХ акселерометра и проведено сопоставление результатов конечно-элементного, математического и редуцированного моделирования. Показано, что синтезированная системная модель адекватно описывает динамическое поведение исследуемого объекта. Результаты работы могут быть использованы при проектировании и анализе микромеханических акселерометров и других Н/МЭМС-устройств с ёмкостным съёмом.

This work is devoted to the modeling of a single-mass direct-acting micromechanical accelerometer with differential capacitive pickup of a variable gap. The subject of the study is the dynamic characteristics of a sensing element made of single-crystal silicon with [1 0 0] orientation. The objective of this study is to construct a system model of an accelerometer and investigate its behavior in a given frequency range. Analytical methods, finite element modeling, and reduced-order model synthesis techniques were employed. Modal and harmonic analyses were conducted using the FE model. A mathematical model of the sensor was developed using finite element analysis. A reduced-order model was synthesized based on the numerical simulation results. As a result, the natural modes and frequencies of the sensing element were obtained, a harmonic analysis was performed in the 5–5000 Hz range, the accelerometer frequency response was constructed, and the results of finite element, mathematical, and reduced-order modeling were compared. It is shown that the synthesized system model adequately describes the dynamic behavior of the object under study. The results of this study can be used in the design and analysis of micromechanical accelerometers and other H/MEMS devices with capacitive pickup.