电容式微加速度传感器的现状及研究方向

　　现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。在诸如军工、空间系统、科学测量等领域,需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化[1]。而且,由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产,它的性能价格比很高。可以预见在不久的将来,它将在加速度传感器市场中　　占主导地位[2]。

　　微加速度传感器有压阻式、电容式、压电式等形式。其中,电容式因具有如下一些特点而受到重视:①很高的灵敏度和测量精度;②良好的稳定性;③温度漂移小;④功耗极低;⑤良好的过载保护能力;⑥便于利用静电力进行自检。目前这类传感器的测量范围一般为0.1 g～50 g,频响范围为0～1 kHz,测量精度为0.1%～1.0%。这类传感器按加工方法分,主要有立体硅工艺式、表面硅工艺式、LIGA工艺式;按工作方式分,有开环和闭环(静电力平衡式)两种。本文将对这些传感器的工作原理、结构和特点加以介绍,并对这类传感器的若干关键技术及研究方向进行探讨。

　　1　立体硅工艺电容式微加速度传感器

　　硅是制作无滞后弹性元件的理想材料。利用各向异性刻蚀、阳极键合等硅整体加工技术,可在硅材料上制出尺寸微小的电容式加速度传感器。其成本与压阻式硅微加速度传感器相近,但灵敏度、分辨率、精度、动态范围和稳定性均优于压阻式。这种传感器早期多采用开环工作方式,现在大多采用闭环方式。

　　1.1　开环立体硅工艺电容式微加速度传感器

　　图1是开环立体硅工艺电容式微加速度传感器的一种典型结构[3]。敏感元件是玻璃—硅—玻璃的“三明治”结构,外围用硅封装,整个芯片尺寸为8.3 mm×5.7 mm×1.9 mm。中间的单晶硅片制成框架、敏感质量块和悬臂梁。敏感质量块和玻璃的内侧面均沉积了铝膜,构成三端差动电容,敏感质量块作活动电极,两块玻璃作固定电极并起过载保护作用。电容介质为空气,改变气压可调节系统的阻尼。两个固定电极上加了反相调制电压Uo和-Uo。当垂直于硅片方向的加速度a输入时,惯性力使敏感质量块偏移,上下两个电容发生变化,中间活动电极上产生检测信号。经过采样/保持、低通滤波等环节,得到输出电压

　　式中,k′为检测电路的增益;m为敏感质量;k为悬臂梁的刚度系数;d0为静态电容间隙。显然,Um与a成正比,可作为a的度量。图2是一种完全对称结构的立体硅工艺电容式微加速度传感器[4]。中间的敏感质量块由8根对角分布的悬臂梁支撑,只能上下平动,从而减小了横向灵敏度,并使线性误差小于0.5%。采用这种结构,电容极板面积较大,静态电容达到10 pF;传　　感器也更牢固,寿命更长。该传感器的灵敏度为1pF/g,测量精度为10-3g,谐振频率为3.5 kHz　(100 Pa气压下)。整个传感器的尺寸为3.5 mm×7.0 mm。