摘  要：靜電力反饋微加速度計的敏感質量與固定結構部分因靜電力作用發生吸合失效，嚴重影響加速度計的可靠性。為根本解決吸合問題，分析了加速度計在開環、閉環的不同工作狀戀下發生吸合的機理，推導出由靜電力、機械剛度和止擋間隙等參數確定的3個穩定條件，用于判斷吸合是否發生。實驗證明了穩定條件是正確的。工程實際中，3個穩定條件可以指導此類加速度計的可靠性設計，通過選擇合理的機械及電氣參數，可以完全避免發生吸合失效。
關鍵詞：微加速度計；吸合失效；穩定性；可靠性；靜電力 

    對于靜電力反饋微加速度計，其微機械敏感表頭中的敏感質量與固定結構部分常發生吸合。使加速度計失效。
    已有的研究初步揭示了引起吸合的原因：1)表面效應使敏感質量與固定結構發生粘附。這種動、定結構在表面效應作用下的直接粘連，可通過在結構中加入如圖1所示的止擋結構來解決。止擋限制了敏感質量偏移量，從而避免動、定結構發生大面積接觸并粘連。2)在量程內，靜電力引起吸合。文指出，以往對靜電力負剛度ke的計算存在偏差，導致由穩定條件km>ke(km為彈性支承梁的機械剛度)得出的理論量程偏高。離心機實驗中，輸入遠未達到量程極限就因穩定條件不滿足而失穩發生吸合。

    針對上述原因，設計中采取了改進措施：1)敏感表頭中設計了止擋結構；2)修正了靜電負剛度的計算，在全量程范圍滿足穩定條件km>ke。
    離心機實驗表明，改進后的加速度計能達到設計量程而不發生吸合失效。實驗中也發現，加速度計開機上電瞬間，或正常工作中受一定強度的機械沖擊，仍可能發生吸合失效，影響了可靠性。
    針對仍存在的吸合失效，作者進行了進一步的探討和實驗研究，并得出徹底避免吸合的方法。

1 吸合原因的推斷
    加速度計在開機瞬間可能受到靜電力沖擊，在開環和閉環工作狀態可能受到外界的機械沖擊。如果未建立閉環反饋或反饋不能準確響應，沖擊將使敏感質量(動片)偏離平衡位置，若沖擊強度較高，就可能出現以下兩種情形而導致吸合失效。
    1)加工誤差導致實際的止擋結構失去限位作用，動、定極板接觸，因表面效應而粘附在一起。
    2)動片撞上止擋結構，與止擋有小面積接觸，表面粘附力不強，但動片所受靜電力非回復力，且大小超過彈性支承梁的彈性回復力，使動片被靜電力“吸住”貼于止擋上無法回復平衡位置。

2 吸合發生條件的理論分析
    加速度計敏感表頭的簡化模型如圖2所示。

    設動、定極板相對面積為S，動極板質量為m，平衡位置時其與定極板的間隙為d0，與止擋的間隙為ds，彈性梁的機械剛度為km，極板間電介質介電常數為ε，兩側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。動極板加反饋電壓Vfb。載波幅值比Vref和Vfb小1～2個數量級，對靜電力的貢獻可忽略，故以下分析不考慮載波。

    下面按加速度計的三種不同工作狀態來討論式(2)的不同形式。

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

   
    比照機械剛度的定義，定義閉環狀態下，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，ke1也增大。若在滿量程范圍內以下條件均滿足

    km>ke1.                 (6)

    這樣，加速度計可以滿量程正常閉環工作而不失穩發生吸合，稱式(6)為第一穩定條件，也即是文中得出的穩定條件。

2．2  開環工作狀態
    此時，未建立閉環反饋，vfb=0，由式（2）得到開環狀態下的靜電力為

由式（8）知，ke2隨x增大而增大，如他圖3所示。