微机电系统加速度计

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1、微机电系统加速度计　　1．概述　　近几十年来，微电子技术发展非常快，集成度几乎每年翻一番。微电子技术和测试技术的进步，促进了微机电系统（MicroElectro—MechanicalSystems，简称MEMS）技术的兴起和发展，各类微型传感器、微型执行器如雨后春笋，发展势头非常迅猛。在这些新型的微机电传感器中，微机电系统加速度计以其体积小、重量轻、成本低、可靠性好、功耗低和测量范围广等一系列独特优点而受到高度重视，并大有取代传统加速度计的趋势。　　微机电系统加速度计通常是指利用微电子加工手段加工制作并和微电子测量线路集成在一起的加速度计，这种加速度计常用硅材料制作，故又名硅微

2、型加速度计。　　硅微型加速度计的型式多种多样。按检测质量支承方式分有悬臂梁支承、简支梁支承、方波梁支承、折叠梁支承和挠性轴支承等；按检测信号拾取方式分，有电容检测、电感检测、隧道电流检测和频率检测等。表1列举了几种目前常见的硅微加速度计的性能及特点。　　表1　几种硅微加速度计的性能及特点　　　　2．叉指式硅微加速度计　　叉指式硅微型加速度计（Finger-shapedMicromachinedSiliconAccelerometer，简称FMSA）最初是由美国AD公司和德国SIEMENS公司联合研制的。目前已形成系列产品，包括5g、50g单自由度和双自由度的产品。　　叉指式硅微

3、型加速度计的结构如图1所示。加速度计由中央叉指状活动极板与若干对固定极板组成。硅制活动极板通过一对支承梁弹簧与基座相连，支承梁能使活动极板（检测质量）敏感加速度而产生位移。活动极板上有若干对叉指，每个叉指对应一对固定极板，固定极板固定在基座上。当加速度计处于静止状态时，叉指正好处于一对固定极板的中央，即叉指和与其对应的两个固定极板的间距相等（为y0），这时电容量C1=C2。当加速度计敏感加速度时，在惯性力作用下，活动极板产生位移，如图1（b）所示，这时，叉指和左右两固定极板的间距发生变化，即C1≠C2，产生的瞬时输出信号将正比于加速度的大小。运动方向则通过输出信号的相位反映出来

4、。　　设活动极板的线位移使某叉指两对极板的间隙分别变为Y0+△y和Y0－△y，此时单个电容量分别为略去高阶小量，其电容差值为　　　　　（1）　　式中，A1为活动极板叉指与固定极板重叠部分的面积。　　设加速度计有n组叉指，则总的电容差值为△C=n·△C1=nks1△y=ks△y。　　系统的静态灵敏度为　　（2）　　式中，k为支承系统的弹簧刚度，m为活动极板质量；kv为控制回路增益；kF，为反馈力矩系数，．　　　　（a）静止状态　　　　　（b）活动状态　　图1　叉指式硅微加速度计　　叉指式硅微加速度计的控制系统框图如图2所示。　　　　图2　FMSA控制系统框图　　系统的固有频率可由

5、下式近似求得：　　（3）　　式中，k为系统支承总刚度，ms为支承弹簧的总质量。　　ADXL50是AD公司开发的一个加速度计产品，主要用于汽车上的安全气囊。ADXL50是集成在一片单晶硅片上的完整的加速度测量系统。整个芯片约3mm×3mm，其中，加速度敏感元件部分边长为1mm，信号处理电路则布于四周。加速度敏感元件是一个可变差动电容器，2μm厚的活动极板上伸出50个叉指，形成了电容器的活动极板。固定电容极板则由一系列悬臂梁组成，这些悬臂梁与基座问有lμm的间隙，悬壁梁的一端固连于基座上。整个活动极板通过支承梁固定，支承梁能保证活动极板沿敏感加速度的方向作线振动，而其他方向的运动都

6、受到约束。支承梁同时作为一个弹簧，能将输入的加速度信号转换为位移信号，同时提供恢复力，使活动极板恢复到零点位置。支承梁可以是直梁或折叠梁。　　　　图3　ADXL50测试线路　　ADXL50的测试回路是一个闭环的力平衡反馈回路。其测量原理如图3所示。频率为1MHz，相位相差1800的两个方波信号UA和UC分别施于固定电容极板Y和Z上，这样，当在静止状态时，活动极板的输出信号UB将为零。为使活动极板输出在±50g范围内都为正，需在固定电容极板Y和Z上分别施加偏置信号，分别为+3.4V和+0.2V。这样，在静止时，动极板输出信号应为+1.8V0UB信号进入相敏解调器解调前需经过缓冲器

7、放大，使可变电容器的高阻抗信号变为低阻抗信号。经过解调和低通滤波的信号再经前置放大器输出。将前置放大器输出信号u0反馈给活动极板，该反馈电压将在活动极板和固定电极之间产生静电力，该静电力和由加速度引起的惯性力方向相反，并力图使活动极板恢复到中间位置，从而使UB信号减弱为零。由于是一个高增益的伺服回路，深度负反馈将使活动极板偏离其中心位置的最大距离不超过0.01μm，此时，支承梁的弹性常数以及开环时的其他误差源均可忽略不计。加负反馈后，在没有加速度信号时，u0=1.8v，在满量程（±50g）时