梳状电极双轴微机械加速度计的研制

　　由于微机电系统技术的进步和工艺水平的提高, 微加速度计的研究取得了令人瞩目的进步[ 1] 。未来微加速度计的发展空间在于其高精度、集成化、多轴化[ 2] 。当物体在平面上运动时, 需测量两个方向的加速度, 可以使用两个加速度计合成的方式, 但伴随占用面积大、测量精度低等一系列问题[ 3-4 ] 。本论文提出了一种新型的基于体硅工艺的梳状电极电容式双轴加速度传感器, 检测部分采用变面积、差动式的敏感结构, 具有结构简单、动态响应好、能实现无接触式测量、灵敏度好、分辨率高、线性好等优点, 可实现加速度计结构和接口电路的双片集成, 精确测得平面上的加速度, 并对此加速度传感器结构部分进行了设计、模拟分析、版图设计、工艺加工及封装测试分析等方面的工作。

　　1 加速度计模型

　　硅微加速度计由单一敏感质量块M 构成, 这个质量块由四组弹性元件附于固定支架上, 结构部分采用全对称结构。

　　双轴加速度传感器的工作原理可以等效为平面上两个相互垂直的二阶质量) 弹簧) 阻尼系统。加速度通过敏感质量形成惯性力作用于系统。图1 为双轴加速度传感器的力学模型。

　　对于每一个敏感方向, 根据牛顿第二定律, 可以用二阶微分方程表示:

　　由于加速度传感器采用全对称结构, 因此X 轴与Y 轴的阻尼系数和梁弹性系数一致, 且共用一个敏感质量单元, 则X 轴和Y 轴的二阶系统一致。

　　2 梳状电极加速度计检测原理

　　由于加速度本身很难直接测量, 所以加速度传感器通过惯性质量将其转化为力进行测量。其中电容式加速度传感器利用敏感部分将被测的加速度信号转换为电容变化量, 再通过外围信号调理电路处理, 实现加速度的线性输出。电容式结构将加速度物理量转变为电信号的方法有变间隙、变面积、变介电常数3 种[ 5] 。本文采用变面积电极结构, 在结构上避免了差分电容引入的非线性[ 6] 。在外加加速度信号时, 弹性梁将在质量块产生的惯性力作用下发生形变, 引起电容两极板交叠面积的变化, 而交叠面积的变化又将引起电容值的变化, 通过测量该电容值的变化就可以测得加速度的大小。

　　如图2( b) 所示, 当外加加速度不为零时, 检测质量块偏离平衡位置, 活动梳齿与固定梳齿交叠长度发生变化, 变为:

　　由上式可知, 差分电容变化量△C 与梳齿的交叠长度变化量△L 完全成线性关系。因此本文所设计的双轴加速度传感器采用的变面积差分电容式输出, 可以很好的实现线性检测, 理论上由加速度传感器结构部分引入的非线性为零( 见式8) 。