Page 104 - 《真空与低温》2025年第5期

王凯民等：惯性传感器电容误差仿真及影响分析 643

的典型参数。各个组件的材料、相对介电常数与 值。三轴的电容值分别为：X 轴 1.18 pF、Y 轴 0.87 pF、
电导率在表 2 中给出，其中数据主要来源于测试公 Z 轴 0.71 pF。
司所出示的测试报告。 通过改变电极板与质量块的电压可以检验电
容值是否会随极板电压变化而变化。将传感电极

选择物理场接口 电压设置为 20 V，激励电极电压设置为 4.8 V，质量
块电压设置为 0.1 V 进行验证。电压改变后，测得
三轴电容与更改电压前的电容值相同，可以认为
导入模型、设置材 电压改变不会引起电容值的改变。
料属性与边界条件 2.3.2 去掉电极框架

此部分研究目的是计算出电极框架对于目标
电容大小的影响，因此对照模型与完整模型的区别
网格划分 在于有无电极框架。即对照模型中为 6 个电极极
板组件互不相连地悬浮在质量块周围。
由于去除了电极框架，因此将 6 个电极极板组
仿真运行 件与原电极框架相邻的表面设为接地。
得到三轴的电容值分别为：X 轴 1.79 pF、Y 轴
1.35 pF、Z 轴 0.71 pF。
结果 由于电极框架在电极板周围，对电极板的电场
线起到约束作用。因此去除电极框架后，电极板边
图 9 仿真分析流程图 缘效应增加，X 轴与 Y 轴电容仿真值相对于完整模
Fig. 9 Simulation Process Diagram 轴电容仿真值相对于完整模型无变化
型变大。Z
表 2 各组件材料属性 的原因是并未去掉 Z 轴保护环结构，因此 Z 轴保护
Tab. 2 Material properties of each component 环对 Z 轴电极板依旧具有约束作用。
相对介 电导率 2.3.3 只保留目标轴极板组件
组件 材料
电常数 S/m 此部分研究目的是计算出其余两轴的极板组
电极板、电极框架、安装 件对于目标电容大小的影响，因此对照模型与完整
钼 4.5 1.87×10 7
基板以及 Z 轴保护环
模型的区别在于有无除目标电容所在极板组件以
绝缘板、绝缘垫 陶瓷 8.5 1×10 −10
外的极板组件。即对照模型中只有目标极板组件
质量块与连接杆 2A12 硬铝 2.5 2.03×10 −2
通过电极框架固定在质量块周围。分别建立三轴
电极引线、保护板 TC4 1.5 1×10 −8
所对应的三组模型进行仿真。

通过对相同模型不同网格划分的验证表明，相 得到三轴的电容值分别为：X 轴 1.19 pF、Y 轴
对于较细化，更精细的超细化与极细化的仿真结果 0.89 pF、Z 轴 0.73 pF。
与较细化的仿真结果相比，误差仅约为 3‰，但网 只保留目标轴电极极板组件的模型电容仿真
格划分时间与仿真时间均为较细化的 3～4 倍。而 值相对于完整模型电容值变大的原因为拐角处分
相较于较细化，更粗糙的细化与常规划分无法对模 布不均引起的电容误差。图 10 为 X 轴电极极板组
型中的精密部分进行网格划分，有时还会报错。因 件与 Z 轴电极极板组件拐角处的电势分布图。可
此，综合考虑后，最终选择较细化的网格划分。 以清楚看到在拐角处电势分布有相交的地方，说明
在仿真实验中，将传感电极板设置为 8 V，激 拐角处会存在电场线分布不均的现象。这是因为
励电极板设置为 5 V，质量块设置为 0.6 V。同时将 电场线会与它们最近的相邻导体耦合。换句话说，
电极框架外侧表面接地。 如果将电场线近似为一阶，那么电场线会选择最短
2.3 仿真结果 的路径，它们在与质量块相连以外，还可能会与
2.3.1 完整模型 保护环或其他极板相连，这会对目标电容大小产生
对完整模型进行仿真计算后得到三轴的电容 影响 。
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