一種低噪聲MEMS電容式加速度傳感器的設(shè)計

周巖 李彥哲 李金平 孫風(fēng)光

摘? ?要：基于差分電容原理和MEMS技術(shù)，設(shè)計了一種低噪聲MEMS電容式加速度傳感器。該加速度傳感器包括一個敏感芯片和一個采用變送集成技術(shù)的信號調(diào)理電路。通過優(yōu)化敏感芯片的結(jié)構(gòu)和低噪聲的信號調(diào)理電路相結(jié)合，制作出加速度傳感器。利用MEMS技術(shù)制作的微結(jié)構(gòu)封裝的加速度傳感器經(jīng)過測試，驗證了該傳感器具有高靈敏度，高分辨率和低噪聲特點。

關(guān)鍵詞：低噪聲? 差分電容? MEMS? 加速度傳感器

中圖分類號：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0105-02

在我國航天航空事業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，加速度傳感器在航天航空系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文主要研究利用差分電容原理、體硅MEMS敏感結(jié)構(gòu)的低噪聲加速度傳感器的可行性，并進(jìn)行了相關(guān)的實驗測試。該加速度傳感器具有體積小、重量輕、高靈敏度和低噪聲等特點，可以滿足航天航空系統(tǒng)對傳感器小型化的要求。

1? 敏感芯片設(shè)計

為了提高加速度傳感器靈敏度、提高測量范圍和減小非線性誤差，敏感結(jié)構(gòu)采用差動式電容結(jié)構(gòu) ，如圖1所示。與單邊活動的電容傳感器相比，它具有誤差范圍小、測量范圍寬等優(yōu)點。

若活動極板的初始位置距兩個固定極板的距離均為d0，則固定極板l和活動極板3之間的電容與固定極板2和活動極板3之間的初始電容相等，若令其為C0，當(dāng)活動極板3在被測物體作用下向固定極板2移動Δd時，則位于中間的活動極板到兩側(cè)的固定極板的距離分別為：

活動極板和兩個固定極板構(gòu)成電容分別C1和C2，當(dāng)二者形成差動式電容器時，其電容差等效為：

由上式可見電容的變化量與位移△d成非線性關(guān)系，但微小量檢測中，如線膨脹測量等，一般都可以略去高次項，那么就得到下式，輸出特性得到改善。

靈敏度S為：

芯片的彈性敏感元件為對稱的“四梁-慣性質(zhì)量”結(jié)構(gòu)，中間慣性質(zhì)量對加速度具有敏感特性，將加速度信號轉(zhuǎn)換成慣性質(zhì)量的位移量，慣性質(zhì)量相對上下極板間的距離發(fā)生變化，通過檢測電容量的變化實現(xiàn)加速度的測量。為消除電容可動極板各點位移量不同所引起的輸出非線性問題，減小傳感器的橫向靈敏度比， 通常傳感器采用對稱結(jié)構(gòu)，當(dāng)四懸臂梁結(jié)構(gòu)在慣性質(zhì)量產(chǎn)生位移時，只有四個梁產(chǎn)生彎曲變形，慣性質(zhì)量基本保持不變。為了進(jìn)一步提高靈敏度采用一種折疊梁彈性結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以增大慣性質(zhì)量的位移量，使電容可動極板產(chǎn)生的電容變化量增大，從而提高靈敏度，如圖2所示。

2? 調(diào)理電路設(shè)計

選用電容式信號測量電路作為加速度傳感器的信號調(diào)理電路，該電路主要包括電荷放大器、移相器、相敏解調(diào)、放大電路及低通濾波幾部分。這樣，在MEMS加速度傳感器尺寸作得小的情況下，可以獲得大的靈敏度、動態(tài)范圍和頻響并且可以有效減小甚至消除寄生電容影響。圖3為信號調(diào)理電路原理框圖。

從電路原理框圖可以看出，該電路使用到了兩個運算放大器，構(gòu)成兩路電荷放大結(jié)構(gòu)。兩路運算放大器的一致性和運算放大器周圍器件的一致性對檢測精度有很大影響。為增強(qiáng)兩路結(jié)構(gòu)中運算放大器的一致性，同時減小電路板面積，實際電路中采用的是雙運放芯片來解決此問題。

3? 加速度傳感器性能

利用MEMS技術(shù)設(shè)計的加速度傳感器如圖4所示。該加速度傳感器具有很小的輸出噪聲，MEMS加速度傳感器等效噪聲如圖5所示。MEMS加速度傳感器滿量程下輸出噪聲為500ng/。

4? 結(jié)語

基于差分電容原理和MEMS技術(shù)設(shè)計、制作了一種低噪聲MEMS加速度傳感器。本文很好解決了小型化加速度傳感器低噪聲、高靈敏微結(jié)構(gòu)的問題。通過測試，得出MEMS加速度傳感器具有很好的具有高靈敏度，高分辨率和低噪聲特點。目前，傳感器的初步設(shè)計和實驗已經(jīng)完成。如何優(yōu)化傳感器性能和實現(xiàn)傳感器工程化應(yīng)用是后續(xù)的工作。

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