梳齒式結(jié)構(gòu)電容式加速度傳感器設(shè)計(jì)

周文萌

摘 要：選擇梳齒式差分電容結(jié)構(gòu)對(duì)電容式加速度傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，闡述其優(yōu)勢(shì)和原理，并選用相匹配的傳輸電路，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)曲線對(duì)敏感質(zhì)量塊和撓性梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇提供參照。

關(guān)鍵詞：電容式加速度傳感器；梳齒式差分結(jié)構(gòu)；MEMS

1 概述

作為傳感器的一個(gè)重要分支，加速度傳感器正在航空航天、汽車安全、工業(yè)裝備等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。在智能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，許多人使用的智能手機(jī)中就有加速度傳感器的典型應(yīng)用，機(jī)身內(nèi)部的加速度計(jì)可以檢測(cè)到手機(jī)使用狀態(tài)從縱向到橫向的轉(zhuǎn)變，從而更改內(nèi)容的顯示方向，此外還有利用這點(diǎn)開發(fā)的滾球游戲等等。

加速度傳感器是根據(jù)牛頓第二定律，通過(guò)測(cè)定敏感元件的變化量而轉(zhuǎn)換輸出加速度值的傳感器，通常包括質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分。加速度傳感器的主要指標(biāo)有工作范圍、頻率響應(yīng)、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(jù)電容效應(yīng)原理，利用質(zhì)量塊移動(dòng)時(shí)與固定的電極間距離的改變來(lái)檢測(cè)加速度的變化，具有分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍大、溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上將電容式加速度傳感器設(shè)計(jì)為梳齒式結(jié)構(gòu)，盡量提高其精度和測(cè)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(dòng)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(jié)構(gòu)。如圖1，兩側(cè)是梁結(jié)構(gòu)，中央質(zhì)量塊上伸出的長(zhǎng)條為懸臂電極（可動(dòng)電極），S1、S2為定齒。

上述結(jié)構(gòu)中的可動(dòng)部分包括慣性質(zhì)量塊、可動(dòng)電極、梁結(jié)構(gòu)，三者通過(guò)錨點(diǎn)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(dǎo)線連接所有的上極板和下極板，可以把若干個(gè)小電容并聯(lián)，從而利用整個(gè)梳齒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大差分電容。

當(dāng)工作時(shí)，外力產(chǎn)生的加速度a引起微小位移量x，轉(zhuǎn)化為差動(dòng)電容的變化量△C，電壓信號(hào)經(jīng)由差動(dòng)電路進(jìn)行輸出，通過(guò)檢測(cè)電路將信號(hào)放大，最后信號(hào)被解調(diào)得到輸出電壓。

3 電路設(shè)計(jì)

信號(hào)測(cè)送電路中中間電極分別與上、下電極形成電容C1、C2。當(dāng)傳感器受到加速度作用產(chǎn)生形變時(shí)，中間電極出現(xiàn)位移，從而C1、C2的值變化，形成差分電容。經(jīng)梳齒結(jié)構(gòu)放大后輸出電壓信號(hào)。可以通過(guò)運(yùn)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(shù)計(jì)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(duì)數(shù)nf成正比、與質(zhì)量塊的質(zhì)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(guān)系。當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸確定后，可通過(guò)增大偏置電壓提高加速度傳感器的量程。但Vref過(guò)大會(huì)導(dǎo)致正反饋越強(qiáng)，易導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)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(zhì)量，例如可以通過(guò)在部分區(qū)域設(shè)置小孔以減小質(zhì)量塊的質(zhì)量。

4.2 靈敏度

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

4.3 加速度測(cè)量值

4.4 參數(shù)設(shè)置

在此設(shè)計(jì)中，傳感器的性能主要取決于梁和質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)，梁長(zhǎng)一定時(shí)，質(zhì)量塊越大，傳感器就會(huì)越靈敏。因而梁的參數(shù)選擇會(huì)顯著影響傳感器的性能。

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

5 結(jié)果分析

5.1 動(dòng)態(tài)分析

對(duì)擬定的傳感器模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，假設(shè)外界加速度信號(hào)以簡(jiǎn)諧規(guī)律變化，通過(guò)查閱文獻(xiàn)和ANSYS輔助軟件進(jìn)行模擬響應(yīng)分析可得出傳感器工作頻率必須遠(yuǎn)離第一模態(tài)頻率，以盡可能避免共振會(huì)造成的破壞。

5.2 靜態(tài)分析

靜力分析主要考慮既定的傳感器尺寸對(duì)靈敏度、量程等的影響，同時(shí)要考慮傳感器所能承受的靜力載荷。一般來(lái)說(shuō)，從靈敏度等性能指標(biāo)的角度出發(fā)，梁寬梁厚等應(yīng)盡可能選小，而考慮到實(shí)際工作時(shí)承受的載荷，取值又不能過(guò)低。設(shè)計(jì)時(shí)需要反復(fù)的更改設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行模擬，從而找到參數(shù)選取的最佳平衡點(diǎn)。

5.3 優(yōu)劣性

5.3.1 優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單；（2）靈敏度高；（3）可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，精度高；（4）制作工藝可與大規(guī)模集成電路的加工技術(shù)相互兼容。

5.3.2 缺點(diǎn)：（1）不能夠適應(yīng)高精度場(chǎng)合的需要；（2）器件結(jié)構(gòu)材料用多晶硅，在其淀積過(guò)程中容易引入殘余應(yīng)力，在一定程度上影響到器件性能。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）加速度傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)大大影響其力學(xué)性能。具體可表現(xiàn)為：質(zhì)量塊最大位移量隨梁長(zhǎng)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(zhǎng)的影響最弱。

（2）由動(dòng)態(tài)分析可得傳感器諧振頻率與梁長(zhǎng)成反比，與寬度和厚度成正比，但都呈非線性關(guān)系。

（3）在進(jìn)行加速度傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先通過(guò)理論分析確定大致的選值范圍，初步選值后根據(jù)模擬結(jié)果修改參數(shù)并反復(fù)調(diào)試。

參考文獻(xiàn)

[1]劉愛(ài)華，滿寶元.傳感器原理與應(yīng)用技術(shù)（第2版）[M].人民郵電出版社，2010.

[2]肖鵬.基于MEMS技術(shù)的差分式電容加速度微傳感器的研究和設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2006.

[3]張麗霞，等.一種電容式傳感器信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)[Z].威海：山東威海雙豐電子集團(tuán)有限公司，2007.