厚膜混合集成电容式加速度计

　　引言

　　随着硅微加工技术的不断成熟,硅微加速度计已经在传感器市场占据着越来越重要的地位,小型化、智能化、集成化已成为加速度传感器的发展方向,其应用也已逐步扩展到了工业和航天技术等领域。电容式加速度计因其温漂小、精度高、制作简单等优点,是微机械加速度计的发展方向,其在军事、汽车和消费类电子等领域都有很广阔的应用前景,一直是研究的热点。传感器技术的发展也对其外围检测电路提出了越来越高的要求,微小型化的传感器必然也要求微小型化的外围电路与之相匹配;对微弱信号的检测能力更是成为衡量外围电路性能的一项重要指标。

　　目前国内的电容式加速度计表头加工工艺已基本成熟,但处理电路一般采用分立元件来实现,通常在PCB板上制作,其分布电容和寄生电容较大,信噪比较小,影响了测试精度。也有部分使用ASIC实现的,但造价较高,不利于推广。

　　本文采用厚膜集成工艺制作了加速度传感器,其体积较小、成本较低,且精度比集成前提高了1—2个数量级。

　　1电容式加速度计的工作原理

　　由物理学可知,平行极板电容器，如果不考虑边缘效应,其电容为

　　电容式加速度计采用的是差分变极距型,图1为其检测原理图,即差分电容式加速度计的工作原理图。

　　从上式可知,电容的变化量与间距变化量成线性变化。

　　2硅微电容式加速度计检测电路设计

　　电容式加速度计的输出电容一般只有几皮法,并且随着EMS技术的不断发展,微器件的尺寸越来越小的趋势非常明显,其输出电容也随着尺寸的减小而减小。因此,电容检测就显得十分重要,设计高灵敏度的检测电路对小电容进行检测对于提高传感器的性能起着至关重要的作用。如果电路灵敏度不高,则小电容信号很可能湮没在噪声信号中。因此,检测电路还要有足够高的灵敏度。

　　因小电容输出时信噪比较低,分立元件电路中的干扰和噪声使得有用的输出信号容易淹没在噪声中,对于这种情况,调制解调处理是提高输出信号信噪比的有效方法,可以避开低频噪声区。基于调制解调原理的微小电容检测电路的基本检测框图如图2所示。

　　工作原理:加速度计在受到加速度作用时电容值产生变化,输出的方波峰峰值也产生相应的变化。其中的一路输出信号通过运放U1反相,再通过加法器与U2相加,实现电容的差分检测。全波整流电路把经放大后的交流电压U3转化为单向脉动电压,再通过滤波电路滤除脉动电压中的交流成分,保留直流成分,得到与差分电容成线性的直流电压输出。