型高灵敏度横向电容式硅微加速度计
传感器都有哪些种类（总结篇）
性电路消除热电势与温度的⾮线性误差，最后放⼤转换为4～20mA电流输出信号。
为防⽌热电偶测量中由于电偶断丝⽽使控温失效造成事故，传感器中还设有断电保护电路。
当热电偶断丝或接解不良时，传感器会输出最⼤值（28mA）以使仪表切断电源。
⼀体化温度传感器具有结构简单、节省引线、输出信号⼤、抗⼲扰能⼒强、线性好、显⽰仪表简单、固体模块抗震防潮、有反接保护和限流保护、⼯作可靠等优点。
⼀体化温度传感器的输出为统⼀的 4～20mA信号；可与微机系统或其它常规仪表匹配使⽤。
也可⽤户要求做成防爆型或防⽕型测量仪表。
液位1、浮球式液位传感器浮球式液位传感器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电⼦单元、接线盒及安装件组成。
⼀般磁性浮球的⽐重⼩于0.5，可漂于液⾯之上并沿测量导管上下移动。
导管内装有测量元件，它可以在外磁作⽤下将被测液位信号转换成正⽐于液位变化的电阻信号，并将电⼦单元转换成4～20mA或其它标准信号输出。
该传感器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最⼤电流不超过28mA，因⽽能够可靠地保护电源并使⼆次仪表不被损坏。
2、浮简式液位传感器浮筒式液位传感器是将磁性浮球改为浮筒，它是根据阿基⽶德浮⼒原理设计的。
浮筒式液位传感器是利⽤微⼩的⾦属膜应变传感技术来测量液体的液位、界位或密度的。
它在⼯作时可以通过现场按键来进⾏常规的设定操作。
3、静压或液位传感器该传感器利⽤液体静压⼒的测量原理⼯作。
它⼀般选⽤硅压⼒测压传感器将测量到的压⼒转换成电信号，再经放⼤电路放⼤和补偿电路补偿，最后以4～20mA或0～10mA电流⽅式输出。
真空度真空度传感器，采⽤先进的硅微机械加⼯技术⽣产，以集成硅压阻⼒敏元件作为传感器的核⼼元件制成的绝对压⼒变送器，由于采⽤硅-硅直接键合或硅-派勒克斯玻璃静电键合形成的真空参考压⼒腔，及⼀系列⽆应⼒封装技术及精密温度补偿技术，因⽽具有稳定性优良、精度⾼的突出优点，适⽤于各种情况下绝对压⼒的测量与控制。
第一二章电容式微加速度计的结构设...
第一章引言图１．１静电力驱动式微型夹钳“”２．电磁力驱动微型夹钳电磁力驱动微型夹钳的驱动器一般包括线圈和电磁铁等，线圈所产生的电磁场驱动电磁铁运动，推动夹钳的卡爪完成夹持动作。
这类微型夹钳的卡爪能获得较大范围的开合量，夹持动作响应快，无磨损，控制简单，但是电磁线圈的结构难于用ｌｃ工艺兼容（难于用ＩＣ工艺加工），而且体积大，无法做的很小，还不能称为微夹钳。
３．压电式微夹钳图１－２为压电式微夹钳，驱动源是压电变换器。
通过施加电压，压电变换器产生长度变化，使钳口张合。
此微夹钳具有可控输出，无摩擦，易制作等优点，但是以压电元件驱动的微夹钳受压电元件尺寸的限制，难以做得很小。
压电元件的逆压电效应产生的变形量很小，通常为几～十几微米，不能满足微尺度操作的要求。
一般采用机械增幅机构，利用杠杆原理，来放大位移。
经过二、三级的放大，可以将压电元件的变形量放大到几百微米。
机械增幅机构中多采用柔性铰链，柔性铰链适合于实现小范围偏转的支承，可以作为杠杆支点和构件间的铰接点，体积容易做得很小，无机械摩擦、无间隙。
图１．２压电式微夹钳…１８第一章引言４．形状记忆合金微夹钳上文中提到机械增幅机构，机械增幅机构中多采用柔性铰链，柔性铰链适合于实现小范围偏转的支承，可以作为杠杆支点和构件间的铰接点，体积容易做得很小，无机械摩擦、无间隙。
柔性铰链绕轴作复杂运动的有限弹性角位移时，储存了一定的弹性势能，当机械增幅机械去掉驱动力之后，机构可以靠柔性铰链的弹性能恢复处理和记忆训练后，它对原有的形状具有记忆能力。
利用这种记忆效应来夹持、释放物体，这就是形状记忆合金夹钳的基本原理。
形状记忆合金是一种功能材料，经过一定的热处理和记忆训练后，对原有的形状具有记忆能力。
利用此记忆效应来夹持，释放物体。
如图１．３所示，通过加热由形状记忆合金组成的驱动单元Ｉ，使其产生变形，引起驱动单元ＩＩ变形，从而使钳爪闭合；反之，温度下降，变形恢复，钳爪张开。
形状记忆合金具有较高机械性能，抗蚀性能好，可恢复应变量大，恢复力大，本身既是驱动材料，又是结构材料，便于实现机构的简化和小型化。
MEMS加速度计
MEMS加速度计MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）加速度计是一种集成了微电子技术、微机械技术和传感器技术的微型加速度计。
MEMS加速度计以微机电系统技术为基础，利用微型机械结构和微电子技术制作而成的一种传感器。
其结构通常包括一个质量并且可以在三个不同方向上移动的臂梁，一些感应电极以及一个基座。
当加速度计受到外部加速度作用时，质量会受力发生偏移，从而导致感应电极的电荷和电场发生变化，通过测量这些变化，就可以得到外部加速度的信息。
MEMS加速度计主要有压电加速度计和电容加速度计两种类型。
压电加速度计是利用压电效应实现加速度测量的，当受到外部加速度作用时，压电材料产生电荷，从而产生电压输出。
电容加速度计是基于电容变化原理设计的，当加速度计产生加速度时，微机械结构中的电容会发生变化，通过测量电容变化就可以得到加速度的信息。
由于压电加速度计和电容加速度计都是微型化设计，制作工艺成熟，因此MEMS加速度计具有尺寸小、功耗低、成本低和可靠性高等特点。
MEMS加速度计广泛应用于许多领域，特别是在移动设备、汽车、航空航天、智能穿戴设备和工业自动化等领域。
在移动设备方面，MEMS加速度计可用于屏幕旋转、晃动控制和跌落检测等功能。
在汽车领域，MEMS加速度计能够实现碰撞检测、车身稳定控制和自动泊车等功能。
在航空航天领域，MEMS加速度计可用于姿态测量和导航系统。
在智能穿戴设备方面，MEMS加速度计可用于步数统计、睡眠监测和运动追踪等功能。
在工业自动化领域，MEMS加速度计可用于振动检测和故障诊断等应用。
然而，MEMS加速度计也存在一些问题。
首先，由于其微小尺寸，对温度、湿度和振动等环境因素的影响较大，可能会导致测量误差。
其次，MEMS加速度计的精度和分辨率相对较低，对微小加速度的测量不够敏感。
此外，MEMS加速度计的线性度和漂移等问题也需要进一步优化和改进。
综上所述，MEMS加速度计作为一种集成了微电子技术、微机械技术和传感器技术的微型加速度计，在各个领域有着重要的应用价值。
mems电容式加速度计原理
MEMS电容式加速度计原理一、工作原理MEMS电容式加速度计是一种基于微机械加工技术制成的传感器，用于测量加速度。
其核心部分是可移动的感应质量块和固定电极，它们之间存在微小的间距。
在工作状态下，当被测物体发生加速度时，感应质量块会受到力的作用，从而产生位移。
这个位移量会改变感应质量块与固定电极之间的距离，从而引起电容值的改变。
通过测量电容值的变化，可以推导出物体的加速度。
二、结构设计MEMS电容式加速度计的典型结构包括一个可移动的感应质量块和两个对称的固定电极。
感应质量块通常采用单晶硅材料制成，形状为长方形或圆形，其两端固定在弹性梁上。
弹性梁的材料一般为氮化硅或石英，它们具有良好的弹性性能和稳定的热性能。
固定电极一般采用金属材料制成，与硅衬底形成电容器。
当加速度作用在感应质量块上时，感应质量块会沿着敏感轴方向产生位移，从而改变电容器的电容值。
三、电容变化当感应质量块发生位移时，它与固定电极之间的距离会发生变化，导致电容值的改变。
这个电容变化量可以通过外部电路检测并转换为电压信号输出。
在MEMS电容式加速度计中，通常采用差分电容检测方式来提高检测灵敏度和减小外界干扰的影响。
差分电容检测方式是将两个对称的电容器串联在一起，通过测量两个电容器的电容差值来推导出加速度值。
四、测量范围MEMS电容式加速度计的测量范围取决于其结构设计、制造工艺和材料选择等因素。
一般来说，MEMS电容式加速度计的测量范围在±2g 至±10g之间。
在实际应用中，可以根据需要选择适合测量范围的加速度计。
此外，为了减小测量误差和提高测量的稳定性，可以对加速度计进行温度补偿和线性补偿等处理。
五、方向测量MEMS电容式加速度计一般只能测量单一方向的加速度值，而要实现方向测量则需要使用多个加速度计。
一般来说，将多个MEMS电容式加速度计按不同的方向布置在同一个被测物体上，每个加速度计负责测量一个方向的加速度值。
通过对这些加速度值进行处理和分析，可以获得物体在三维空间中的运动状态和方向信息。
“三明治”MEMS加速度计的设计与分析
的谐振频率 、 抗冲击性、 线性度等因素人手进行仿 真分析与理论计算 ， 确定 了加速度计的结构参数
以及 体硅 工艺 流程 。
传感器 的特别突出的优点在于 ， 灵敏度及分辨率 可以做到很高 ， 可以测量极小 的加速度 和位移 Ｊ
电容式加速度传感器种类繁 多 ， 但原理基 本 相 同， 都是通过测量 电容 的变化来检测加速度信
号。电容式加速传感器有诸 多优点 ： 压阻式或 热
对流 式 容 易 因 外 界 温 度 变 化 而 产 生 零 位 漂 移 儿 引， 而电容式的电容值一般与电极材料无关 ， 因此可选择温度系数低 的材料 ； 加上本身发热极
景 。
极板 间距 与极 板 间的重 叠 面积来决定 。为 了减小
寄生 电容 的干扰 ， 并提高传感器 的灵敏度 ， 电容式 加速度传感器通常采用差分 电容结构 ， 即质量块 部分作为公共极板 ， 两个电容串联相接。 对于差分电容式加速度计 ， 较为成熟的结构
有“ 梳齿” 结构 的 电容 式 加速 度 计 【 和 “ Ｊ 三 明治 ” 结 构 的 电容 式加 速度 计 ， “ 梳齿” 型 结构 的 电容式 加 速度 计 ， 由 于难 以实 现较 大 的敏感质 量块 ， 且敏
２ ３ ３ ０ ４ ２ ）
（ 北方 通用 电子集 团有 限公 司微 电子 部 蚌 埠 摘 要
基 于体 硅微 机械 加 工技 术 ， 设计 分析 了一 种抗 冲 击“ 三 明治 ” 电容式 ＭＥ Ｍ Ｓ加 速 度计 。利
用敏 感质 量块 与 固定 电极构 成 电容 差分 结构 ， 在 有效提 高加 速度 计灵敏 度 的 同时 ， 减 小 了寄生 电容 的干 扰， 提 高 了加速 度计 的 测量精 度 ， 并 对 悬臂 梁的抗 冲 击性 能做 了仿 真分 析 ， 保证 了加 速度 计 工作 的可 靠 性 。经仿 真与理 论计 算 分析表 明 ， 该加 速 度计 在 Ｚ轴 向 的灵敏 度 为 ０ ． １ ２ ５ ｐ Ｆ ／ ｇ ， 谐振频率为 ４ ． ９ ｋ Ｈｚ ， 量
电容式加速度计的电路设计_改1234
毕业设计电容式加速度计的电路设计系别：专业：班级：学号：学生姓名：指导教师：职称：年月日电容式加速度计的电路设计摘要20世纪80年代，随着微电子技术、半导体集成电路工艺的日益完善，人们开始把IC 制造技术引用于精密机械制造，出现了微机械、微型传感器、微型执行器等微机械制造技术。
微机械电容式加速度计是人们广为关注、竞相开发的一种微型加速度计。
其中，加速度计的类型有压阻式、压电式和电容式等多种。
其中，电容式加速度计具有测量精度高、温度效应等优点。
随着MEMS(Micro Electro Mechanical Sys-tem)技术的发展，采用静电力驱动、电容变化检测位移的电容式MEMS加速度计因具有结构简单、动态响应快、分辨率高、温漂低等优点，应用越来越广泛。
采用闭环差动结构的电容式加速度计可进一步提高灵敏度，减小非线性误差是目前实现高性能加速度计的一个有效途径。
电容式加速度计为一种重要的惯性器件，在汽车、消费电子、惯性制导等方面有广泛的应用前景。
性能指标的提高一直是微机械加速度计领域的重要研究方向。
其中，检测电路的性能对加速度计整体性能也起着日益重要的决定作用。
本文主要针对电容式加速度计的噪声以及闭环检测电路和自动校零技术等作为主要的分析方向，这对于电容式加速度计的工程化和未来的发展方向具有一定的参考意义。
论文的研究方向：（1）机械加速度计的分类。
有压电式、压阻式、电容式等。
（2）电容式加速度的噪声分析。
（3）电容式加速度计的闭环检测电路分析。
（4）电容式加速度计的自动校零技术分析。
关键词：电容式加速度计；分辨率；惯性器件；噪声；自动校零CAPACITIVE ACCELEROMETER CIRCUIT DESIGNABSTRACTNineteen eighties，with microelectronic technology，semiconductor integrated circuit technology is increasingly perfect，people began to use IC manufacturing technology used in precision machinery manufacturing，appeared a micromechanical，miniature sensors，micro actuators and other micro machinery manufacturing technology. Micro mechanical capacitive accelerometer is widely concerned，competing in the development of a kind of micro accelerometer. Among them，the accelerometer of the type having piezoresistive，piezoelectric transformer and capacitor etc.. Wherein，capacitive accelerometer has high measurement precision，temperature effect and other advantages. With the MEMS ( Micro Electro Mechanical Sys-tem ) technology development，using the static electric power driving，capacitance change detection displacement capacitive accelerometer MEMS because of its simple structure，quick dynamic response，high resolution，low temperature drift，is applied more and more extensively. Using a closed-loop differential capacitive accelerometer can further improve the sensitivity，reduced nonlinear error is present to realize highperformance accelerometer in an effective way. Capacitive accelerometer is a kind of important inertial device，in the automotive，consumer electronics，inertial guidance has extensive application prospects. Performance improvement of MEMS accelerometer has been is an important research direction in the field. Among them，detecting circuit for accelerometer performance overall performance also plays an increasingly important role in the decision.Research direction:(1) the classification of mechanical accelerometer. A piezoelectric type，pressure resistance type，capacitance type.(2) a capacitive acceleration noise analysis.(3) capacitive accelerometer s detection circuit analysis.(4) capacitive accelerometer auto zero calibration technology analysis.Key words: capacitive accelerometer; resolution; inertial device; noise; automatic zero adjustment目录1 绪论 (1)1.1机械加速度计的基本原理 (1)1.1.1加速度计的性能指标 (2)1.2加速度计的分类 (3)1.2.1电容式加速度计 (3)1.2.2压电式加速度计 (4)1.2.3压阻式加速度计 (4)1.2.4隧道式加速度计 (5)1.3应用 (5)2 电容式加速度计的噪声分析 (6)2.1.1基本组成 (6)2.1.2工作原理 (7)2.2电容式微加速度计噪声建模 (7)2.2.1机械热噪声 (7)2.2.2电路噪声 (8)2.2.3噪声计算 (10)2.2.4实验结果分析 (10)2.3结论 (12)3 电容式加速度计的闭环检测电路分析 (12)3.1三明治结构加速度计检测原理 (12)3.2双端反馈闭环检测电路设计 (13)3.2.1高对称激励信号源 (14)3.2.2同步相敏解调的带通作用 (17)3.2.3双端反馈静电力平衡回路 (17)3.2.4实验结果与讨论 (18)3.3结论 (19)4 电容式加速度计的自动校零技术分析 (20)4.1加速度计结构和静电力调零原理 (20)4.2自动调零电路的设计 (21)4.2.1数字电位器MAX4502的工作原理 (21)4.2.2自动校零接口电路及其实现 (22)4.2.3实验结果 (23)4.3结论 (24)5总结与展望 (24)参考文献 (25)致谢 (26)闽南理工学院毕业设计第1章 绪论1.1 机械加速度计的基本原理加速度计的测量原理基于牛顿第二定律:物体受到的合力等于其质量与加速度的乘积。
电容式加速度计材料工艺
电容式加速度计材料工艺
电容式加速度计是一种基于电容变化原理来测量加速度的传感器，其核心部件是加速度敏感结构和补偿电路。
在材料方面，加速度敏感结构通常采用硅微加工技术制造。
具体的工艺流程如下：
1. 材料选择：选择具有良好机械特性和电气特性的硅材料。
2. 块晶硅生长：通过热化学气相沉积（HDCVD）等方法，在硅基片上大面积生长块晶硅。
3. 制备硅片：将块晶硅切割成较薄的薄片，用作加速度计敏感结构的底部。
4. 制备衬底：在另一块硅基片上通过相同方法生长块晶硅，用作加速度计敏感结构的顶部衬底。
5. 掺杂处理：通过离子注入或扩散等方法，对敏感结构进行核心加工，例如掺杂以形成PN结。
6. 阻抗匹配层制备：在敏感结构上制备金属或多晶硅层，用作阻抗匹配层。
7. 封装：将敏感结构和补偿电路等封装在一起，通常采用集成电路封装工艺。
以上是电容式加速度计的一般材料工艺流程，具体工艺可能会根据加速度计的设计要求和制造技术的发展而有所差异。
加速度计制造过程中的材料选择和工艺控制对其性能和可靠性至关重要。
MEMS加速度传感器现状及发展简述
微加速度传感器现状及发展简述1 引言MEMS（微机电系统）是在微电子技术、集成电路技术及其加工工艺的基础上发展而来。
其学科交叉特点明显，主要涉及微加工技术、机械学、电子学、设计学、材料学、热流理论等。
MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米。
MEMS是一个新兴的、多学科交叉、多技术融合的高科技领域。
将MEMS技术应用到加速度传感器领域，就产生了微加速度传感器。
微加速度传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高[1]、灵敏度高和集成度高等一系列优点。
如今微加速度传感器正在逐步取代传统加速度传感器，在电子产品、汽车工业、航天航空等军民领域得到广泛应用。
尽管各类微加速度传感器物理效应与结构形式不同，但它们都有着相同的力学基本原理和相似的工作原理。
2 微加速度传感器研究现状2.1 概述微硅加速度传感器是最早受到研究的微机械惯性传感器之一。
早在1970年左右，人们就开始研究微加速度传感器；到了80年代，电容式微加速度传感器出现。
90年代，压电式微加速度传感器设计成功。
受到扫描式隧道显微镜的启发，人们于20世纪末又开始隧道式硅微加速度计的研究[2]。
如今，微加速度传感器仍具有巨大研究活力。
2.2微加速度传感器的分类2.2.1压阻式微加速度传感器压阻效应是指当半导体受到应力作用时，由于应力引起能带的变化，能谷的能量移动，使其电阻率发生变化的现象。
压阻式微加速度传感器的悬臂梁上有压敏电阻，当质量块发生位移时，梁上的应力发生变化，进而改变压敏电阻的阻值，最终把加速度转变为电信号。
压阻式微加速度传感器经常使用三种结构。
双悬臂梁结构灵敏度高，但使用频率范围低，横向效应大，适用于小量程应用；双端支撑的四梁结构频率特性好，但灵敏度较低，适用于大量程应用；双岛五梁结构可以消除横向效应，灵敏度适中，适用于一般应用[1]。
压阻式微加速度传感器中比较典型的产品是美国EG&G ICSENSORS公司的产品，该公司传感器既有一维加速度传感器(如3022、3028、3145、3255等)，也有三维加速度传感器(如3355)，测量范围有0～e2509或0～e5009等[3]。
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第３卷第４期２００５年１２月纳米技术与精密工程ＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶ０１．３Ｎｏ４Ｄｅｃ２００５一种新型高灵敏度横向电容式硅微加速度计宋飞，王欣，王奕松，陈兢（北京大学微电子学研究院，北京１００８７１）摘要：提出了一种新型高灵敏度横向电容式硅微加速度计．根据差分电容极板间正对面积的改变来检测加速度走小，保证输出电压与加速度之间的线性度系统刚度可由静电力调节为了提高电学灵敏度，在检测电容极板上设计高Ｋ介质层，增大了检测电容量，减小了杂散电容的影响使用ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ对本设计进行机械分析、力电耦合分析和模态分析，仿真结果与理论计算相吻合加速度计使用简单的表面牺牲层工艺即可完成，具有很好的发展前案．关键词：微机电系统；横向敏感；刚度调节；高Ｋ介质；电容式加速度计中图分类号：ＴＮ８２４４文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—６０３０（２００５）０４—０２８３—０７ＡＮｏｖｅｌＴｕｎａｂｌｅＬａｔｅｒａｌＳｅｎｓｉｎｇＣａｐａｃｉｔｉｖｅＳｉｌｉｃｏｎＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＡｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｗｉｔｈＨｉ曲ＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙＳＯＮＧＦｅｉ，ＷＡＮＧＸｉｎ，ＷＡＮＧＹｉ·ｓｏｎｇ，ＣＨＥＮＪｉｎｇ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ０ｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＰｅｋｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｏｖｅｌｌａｔｅｒａｌｓｅｎｓｉｎｇｃａｐａｃｉｔｉｖｅｓｉｌｉｃｏｎａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ｈａｖｉｎｇｔｕｎａｂｌｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｂｙｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｆｏｒｃｅ．ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｉｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｍｏｄｉｆｙｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｏｖｅｒｌａｐ０ｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｃａｐａｃｉ－ｔｏ。
ｐａｉｒａｎｄｔｈｅｌｉｎｅａｒｉｔｙｂｅｔｗｅｅｎｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｉｓｅｎｓｕｒｅｄ．Ｔｏｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ．ｈｉｇｈＫｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｌａｙｅｒｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｓｅｎｓｉｎｇｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ．ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ－ｅｌｅｃ—ｔｒｉｃａｌｃｏｕｐｌｅｄａｌｌａｌｖｓｉ８ａｎｄｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｍａｔｃｈｅｄｖｅｒｙｗｅｌｌｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．Ｉｔｉｓｓｉｍｐｌｅｓｕｒｆａｃｅｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｇｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｆｌｏｗｔｏｓｅｔ“ｐｔｈｅａｃｃｅｌｅｒｏ—ｍｅｔｅｒｗｉｔｈａｇｏｏｄｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ；ｌａｔｅｒａｌｓｅｎｓｉｎｇ；ｓｔｉｆｆｎｅｓｓｔｕｎｉｎｇ；ｈｉｇｈＫｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ；ｃａｐａｃｉｔｉｖｅａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ加速度计是重要的惯性仪表之一，广泛应用于惯性导航与制导系统、高技术武器和安全气囊等领域．从２０世纪９Ｄ年代开始，微加速度计得到了迅速发展，出现了基于多种物理效应的加速度计，如电容式、隧道电流型、压阻式、压电式和热对流式等．目前各国的微机械加速度计的研究方向主要集中于高分辨率、多轴集成和数字化输出三个方面“１．多轴集成的加速度计虽然只是发展的一个方向，但需要三个谐振频率相近且相互正交的工作模态来检测三个轴向的加速度计，由于三个模态间的相互干扰及较高的偏轴灵敏度问题，加之工艺复杂，故限制了其实现．最简单的三轴加速度计可以将三个单轴加速度计相互正交地制作于同一硅衬底上…，故本文主要研究单轴微加速度计．电容式硅微加速度计由于物理机制明确、敏感器件制作简单且不受温度影响，其研究最为透彻，是目前设计的主流．本文提出了一种新型横向电容式微加速度传感器，利用电容差值与极板正对面积的线性关系来检测加速度，以确保系统在大范围内的线性度．传感器采用梳齿差分形式的检测电容，可以较好地抑制外界干扰，降低偏轴灵敏度．此外，还利用ＭＥＭＳ静电驱动中的弹簧软化（ｓｐｒｉｎｇｓｏｆｔｅｎｉｎｇ）”ｏ现象，调整系统刚度到期望值．为了减小寄生电容对灵敏度的影响，采用溅射高Ｋ介质的方法来增大检测电容值，以提高加速度计的收稿日期：２００５．０９－０９．作者简介：宋飞（１９８２），男Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｏｎ出ｌ＠ｉｍｅｐｋｕｅｄｕ联系人：陈兢（１９７４一），男，副教授Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｃｈｅｎ＠ｉｍｅ．ｐｋｕｅｄｕ．Ｃ１３．２８６纳米技术与精密工程第３卷第４期过在刚度调节梳齿四周的固支上施加合适的偏置电压Ｋ，便能有效地调整刚度．（ａ）加速度计俯视图（ｂ）沿月月’截面的侧视图图ｓ横向电容式硅微加速度计原理在惯性质量块两端各有一对折叠梁（共４根），对应图５模型中的机械弹簧．对于单轴加速度计，非敏感轴方向的加速度足不希望在输出中混入的，其它自由度的运动引起的测量误差称为偏轴灵敏度”’４１．要求“弹簧”在检测（敏感轴）方向刚度较小，偏轴灵敏度低，抗干扰能力强，残余庞力小．折叠梁属于挠性梁结构的一种”ｏ，折叠梁在敏感轴方向较软，其它方向有较大刚度，因此其检测模态的频率可以与高阶模态拉开较大差距，防止交叉耦合．此外，折叠梁两端还设计了止档，防止菜一时刻瞬时加速度过冲，造成折叠梁的损坏．惯性质量ｍ上有很多阻尼孔，主要有两方面原因：一是在表面牺牲层工艺中结构释放的需要；二是可以调整系统的阻尼系数，改善加速度计的动态性能，减小噪声．阻尼孔尺寸的设计需要优化．（ｂ）受到加速度时图６部分刚度调节梳齿结构（俯视）加速度计的结构设计、优化与仿真采用ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ２００４Ｅ７．２．２模拟与仿真在加速度计的没计过程中应注意以下几方面的问题：①敏感轴（１，轴）力‘向的刚度应设计得合适，使得在敏感轴方向的加速度作用下，产生较大的偏移，以便于检测电路的测量，提高灵敏度；②由理论分析式（２）可知，要使输出检测信号增大，一是要增大ＡＡ（这点通过降低敏感轴的刚度可以达到），二是每对差分检测电容的初始正对面积Ａ应尽可能小一些，但是总的检测电容又不能减小，因为要减小寄生电容Ｃ。
的影响和提高加速度计的分辨率；③刚度调节梳齿的数目不能太少，否则造成刚度调节的效果不明显；④提高置和ｚ轴的刚度，即增大高阶模态的偕振频率，使其远高于检测模态．针对以上问题，提出了经过优化后，用于仿真的加速度计结构，如图７所示，此结构没有在惯性质量块Ｌ设计阻尼｝Ｌ，因为在ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ仿真过程中可以手动设置阻尼系数值，如果在仿真结构中加上阻尼孔会造成仿真时间的大幅度增加至不能接受的程度．在仿真中，对很多设计参数都作了理想化的近似，这些近似是在保证仿真准确性的前提下，尽可能地减小仿真数２００５年１２月朱飞等：一种新型高灵敏度横向电容式硅微加速度计２８７据量和时间条件下做出的．整个结构面积为７２０¨ｍ×６３４Ｉｚｍ，中间惯性质量块长５７０Ｉ．ｔｍ，宽２００¨ｍ；折叠梁上下各一对，每根折叠梁长３１０斗ｍ，宽２岬，拐角处接头长１０阻ｍ，宽９“ｍ；惯性质量中间部分，两边各有７根町动检测电极，长１８５Ｉｘｍ，宽２０“ｍ；惯性质量四周各有１４对调节刚度的梳齿，长５０岬，宽２Ｉｘｍ；第一层多晶硅作检测电容的固定极板，左右各７根，每根长６０５岬，宽１２¨ｍ；每根可动极板与下方每根固定电极正对面积为６“ｍ２，中间间隙８肛ｍ；第一层多晶硅厚０．３阻ｍ，第二层多晶硅厚７扯ｍ；电容卜下极板间距为２斗ｍ空气加０．２５¨ｍ高Ｋ介质薄膜Ｔａ～０计算惯性质量块ｍ的质量（包括可动电极和调刚度梳齿，无阻尼孔）为２．５０×１０一ｋｇ．根据折叠梁的理论计算公式“可推得ｙ、盖、ｚ方向的刚度为＆，：兰掣：坠业必型卫粤旦型。
Ｌ。
【３１０Ｉｚｍ）。
６，０２×１０“Ｎ／ｍ（９）＆，，：兰！型：！！ｉ！ｉ！堡！１２１（！世里２１１１些坐）。
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一Ｌ一（３１０ｕｍ）１．４５×１０４Ｎ／ｍ（１０）Ｌ一２ＥＷ５Ｈ一！！ｉ坚！（！些堡２：！ｉ！丛坐）一ｒ（３１０“ｍ）’７．３７Ｎ／ｍ（１１）图７ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ仿真的加速度计结构苗先在ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ中进行机械模拟：给定加速度１７，，＝９８ｍ／ｓ２、吼＝％＝０，仿真结果见表１．可见ｙ方向的位移远大于置和ｚ方向，即ｙ轴刚度远低于ｘ和ｚ轴．理论计算Ｙ方向的偏移量为ｍｏｙ（２５０×１０叫ｋｇ）×（９８ｍ／ｓ２）……”…＾。
６．０２×１０。
１Ｎ／ｍ４．０７×１０—２Ｉｘｍｆ１２）吻合理论计算与仿真结果４，１８０９０９３×１０。
２／ｘｍ基本表１在４ｒ＝９．８ｍ／ｓ２和口Ｔ＝口ｚ＝０情况下的偏移■节点位移最大位移量／¨ｍ最小位移茸／ｐ，ｍ善１．０５６９１０ｘ１０－４一１．０５６９１０ｘ１０ｙ４１８０９０９３ｘ１０—２一ｉ２３２２８２×１０一，Ｚ７．１６６３６０ｘ１０－ｂ一７．１６８９５７ｘ１０一。
由于初始条件检测电容的可动极板与固定极板问交叠长度为６汕ｍ，因此Ｙ轴的最大加速度应保证ｙ方向的偏移量小于６¨ｍ，据此求出能够检测的最大加速度为Ｙ。
‘ｋ，（６¨ｍ）×（６．０２×１０“Ｎ／ｍ）““。
１一ｍ一２５×１０一ｋｇ～１４４．４８ｍ／ｓ２（１３）接下来分析加速度计的偏轴灵敏度．给定加速度。
，＝％＝９．８ｍ／ｓ２、％＝０，仿真结果见表２，对比表１结果，可见ｌ，方向偏移量的变化仅为２．８０７×１０¨ｍ，即６．７×１０。
％，说明非敏感轴方向（ｘ向）的加速度。
，对检测方向（Ｙ向）的测鼍影响很小，加速度计具有很低的偏轴灵敏度．表２在ａ，＝ａ。
＝１ｇ和ａ：＝０情况下的偏移■节点位移最大位移量／Ⅱｍ最小位移量／¨ｍＪ３１０４４９０ｘ１０—１１２７１５１×１０叫ｒ４１８１１９０×１０叫一１．２８ｌ７６５×１０叫Ｚ７８０４４９４８×１０－６一７８０６７０８×１０咄进一步对检测电容的大小进行分析．理论计算得出的标称电容大小Ｃｏ一１．９１×１０“３Ｆ，在ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ仿真得出的标称电容大小为２．５４×１０“３Ｆ．两者之间的误差是由于理论计算中只考虑了平行板电容，而仿真中还加上了边缘电场的影响，因此电容值要比理论值大，需要给理论值乘以一个校正因子口（一般１＜口＜２）吵力电耦合分析主要观察刚度调节梳齿的作用．进行了两组分析：第ｌ组加速度。