梳齒式結構電容式加速度傳感器設計

周文萌

摘 要：選擇梳齒式差分電容結構對電容式加速度傳感器進行設計，闡述其優勢和原理，并選用相匹配的傳輸電路，同時根據數據曲線對敏感質量塊和撓性梁結構參數的選擇提供參照。

關鍵詞：電容式加速度傳感器；梳齒式差分結構；MEMS

1 概述

作為傳感器的一個重要分支，加速度傳感器正在航空航天、汽車安全、工業裝備等領域得到越來越多的應用。在智能產業領域，許多人使用的智能手機中就有加速度傳感器的典型應用，機身內部的加速度計可以檢測到手機使用狀態從縱向到橫向的轉變，從而更改內容的顯示方向，此外還有利用這點開發的滾球游戲等等。

加速度傳感器是根據牛頓第二定律，通過測定敏感元件的變化量而轉換輸出加速度值的傳感器，通常包括質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分。加速度傳感器的主要指標有工作范圍、頻率響應、分辨率、滿量程非線性度、漂移、橫向靈敏度和抗沖擊性等。其中，電容式加速度傳感器是比較通用的加速度傳感器，根據電容效應原理，利用質量塊移動時與固定的電極間距離的改變來檢測加速度的變化，具有分辨率高、動態范圍大、溫度特性好等優點。在此基礎上將電容式加速度傳感器設計為梳齒式結構，盡量提高其精度和測量范圍。

2 方案原理

梳齒式電容加速度傳感器，顧名思義，活動電極呈梳齒狀，又稱叉指式電容加速度傳感器，是加速度傳感器的一種典型結構。如圖1，兩側是梁結構，中央質量塊上伸出的長條為懸臂電極（可動電極），S1、S2為定齒。

上述結構中的可動部分包括慣性質量塊、可動電極、梁結構，三者通過錨點固定在基底。上極板和下極板為固定電極，與基底相連。上下極板電極之間形成差分電容。用導線連接所有的上極板和下極板，可以把若干個小電容并聯，從而利用整個梳齒結構產生大差分電容。

當工作時，外力產生的加速度a引起微小位移量x，轉化為差動電容的變化量△C，電壓信號經由差動電路進行輸出，通過檢測電路將信號放大，最后信號被解調得到輸出電壓。

3 電路設計

信號測送電路中中間電極分別與上、下電極形成電容C1、C2。當傳感器受到加速度作用產生形變時，中間電極出現位移，從而C1、C2的值變化，形成差分電容。經梳齒結構放大后輸出電壓信號。可以通過運算得到，U1-U2=K（C1-C2），即最終得到的輸出電壓值與傳感器電容之差成正比。

4 理論分析與參數計算

4.1 量程

加速度傳感器的量程為：

由式可得，傳感器最大量程αmax與電極對數nf成正比、與質量塊的質量m和極板間隙d0成反比、與電極外加的偏置電壓Vref成平方關系。當結構尺寸確定后，可通過增大偏置電壓提高加速度傳感器的量程。但Vref過大會導致正反饋越強，易導致系統的不穩定。另外，極板間隙不可能做得太小，所以增加最大量程的最佳方法是降低質量，例如可以通過在部分區域設置小孔以減小質量塊的質量。

4.2 靈敏度

可得傳感器的靈敏度與檢測質量m和電極的敏感面積A成正比，與系統的剛度k、極板與檢測質量塊間的距離d0成反比。

4.3 加速度測量值

4.4 參數設置

在此設計中，傳感器的性能主要取決于梁和質量塊的結構，梁長一定時，質量塊越大，傳感器就會越靈敏。因而梁的參數選擇會顯著影響傳感器的性能。

（1）質量塊一定時，傳感器的靈敏度與梁長成正比。（2）質量塊一定時，傳感器的靈敏度與梁寬成反比。（3）質量塊一定時，傳感器的靈敏度與梁厚成反比。

5 結果分析

5.1 動態分析

對擬定的傳感器模型進行動態分析，假設外界加速度信號以簡諧規律變化，通過查閱文獻和ANSYS輔助軟件進行模擬響應分析可得出傳感器工作頻率必須遠離第一模態頻率，以盡可能避免共振會造成的破壞。

5.2 靜態分析

靜力分析主要考慮既定的傳感器尺寸對靈敏度、量程等的影響，同時要考慮傳感器所能承受的靜力載荷。一般來說，從靈敏度等性能指標的角度出發，梁寬梁厚等應盡可能選小，而考慮到實際工作時承受的載荷，取值又不能過低。設計時需要反復的更改設計參數進行模擬，從而找到參數選取的最佳平衡點。

5.3 優劣性

5.3.1 優點：（1）結構較簡單；（2）靈敏度高；（3）可實現閉環控制，精度高；（4）制作工藝可與大規模集成電路的加工技術相互兼容。

5.3.2 缺點：（1）不能夠適應高精度場合的需要；（2）器件結構材料用多晶硅，在其淀積過程中容易引入殘余應力，在一定程度上影響到器件性能。

6 結束語

（1）加速度傳感器的結構尺寸會大大影響其力學性能。具體可表現為：質量塊最大位移量隨梁長度增大而增大，隨梁寬度和厚度增大而減小，其中梁厚造成的影響最明顯，其次是梁寬，梁長的影響最弱。

（2）由動態分析可得傳感器諧振頻率與梁長成反比，與寬度和厚度成正比，但都呈非線性關系。

（3）在進行加速度傳感器結構設計時，應首先通過理論分析確定大致的選值范圍，初步選值后根據模擬結果修改參數并反復調試。

參考文獻

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