一种高g电容加速度计的设计

　　引言

　　微机电系统(MEMS)是将传统的IC工艺和硅微细加工技术融为一体的微型机械系统。近年来国内对MEMS加速度传感器的研究取得了很大的进展，但是进入商品化的还很少，特别是大量程、高稳定的惯性导航加速度传感器，往往只是在实验室实现了，由于工艺复杂，成品率低，而很难商品化。

　　本文基于目前国内的工艺水平，采用多晶硅表面微加工(PolySilicon Surface Micro Machined)工艺和深度反应离子刻蚀(DRIE)工艺相结合，设计了一种叉指状电容加速度传感器。

　　设计与分析

　　结构与原理

　　本加速度传感器由敏感元件和检测电路组成。敏感元件把外部的加速度转化为检测质量块的位移，然后由检测电路把位移转换成电压信号输出。系统的简化模型就是弹簧阻尼振动系统，它的数学模型可以描述为：

　　其中，m, b, k分别是检测质量块的质量、阻尼系数和机械刚度。对方程进行 La-place变换可以得到如下传输函数：

　　是阻尼比。从式(2)可以看出，当外部加速度频率大大小于谐振频率时，位移可以近似为

　　即与外部加速度成线性正比。

　　在加速度传感器工作时，如果敏感质量块位移为x，则输出电压Vs为：

　　C _p为寄生电容。从 式(3)可以看出输出检测电压和位移x成正比，结合式(2)可知输出电压和外部加速度成正比。忽略寄生电容的影响，式(3)又可以近似为：

　　可见输出检测电压和外部加速度有较好的线性关系。

　　噪声分析

　　噪声分为机械噪声和电子元件噪声。机械噪声是由敏感元件周围的空气做布朗运动产生的。布朗噪声加速度可以描述为：

　　其中，k _b是 Boltzman 常数(1.38e~23J/K)。

　　上式显示，为降低布朗噪声可以提高检测质量块的有效质量或者提高品质因子，也可以减少空气阻尼，其中采用真空包装是一个有效的方法。

　　系统的检测电路由许多子电路组成，电子噪声一般由第一级的前置电路产生。本电路的前置运算放大器采用折叠式共源共栅结构，其噪声可以表示为：

　　所以设计一个低噪声的前置运算放大器是很必要的。

　　过载保护设计

　　如果器件在大的加速度下运动，易使梁上应力超过断裂应力。为了给器件提供过载保护功能，本设计采用了过载保护，即弹性梁上的过冲防护垫，约1μm厚。