一种梳齿力平衡式微加速度计

　　0 引言

　　基于微机械制造工艺的电容式加速度计由于其结构相对简单，易于制造等特点广泛应用于航空、航天、汽车、消费电子等领域。梳齿式微机械加速度计是一种力平衡式的微机电系统电容加速度计，通过敏感惯性力的变化转换成电容的变化来间接测量外界的加速度。当前的主要微加工技术包括表面加工和体加工两种技术，而高分辨率加速度计一般均采用体加工技术，这是因为一般用表面加工技术制造的器件厚度小于15 μm，这使得敏感质量比较小，因而导致较大的机械热噪声和较低的灵敏度。基于 DRIE( 深度反应离子刻蚀) 可以实现快的刻蚀速率和高深宽比图形，从而基于 DRIE 工艺制造的加速度计具有更明显优势。在微结构的制造过程，由于工艺的不一致性，导致设计相同尺寸的微结构在刻蚀后线条宽度不一致，间隔距离也不相同。工艺的误差已经成为制约加速度计性能提高的关键因素[1]。

　　文中首先介绍了多梳齿力平衡微加速度计的表头原理，鉴于体硅制造过程中的间距误差对输出电压非线性影响，提出在实验标定误差关系后，通过调整正负反馈电压的比的方法来减小非线性误差。在利用体硅溶片和微键合技术制造了表芯后，在闭环状态下对上述方法进行了验证，实验结果表明该方法能有效地减小加速度计输出的非线性误差。

　　1 微机械谐振加速度计的基本原理

　　多梳齿力平衡式微加速度计由折叠梁支撑的质量块及固定的梳齿组成，其中质量块上有分布的梳齿与固定的梳齿组成反馈与检测平板电容，同时为了减小阻尼和释放微结构制造过程的内部应力，质量块上有分布均匀的孔。微加速度计通常通过闭环工作以获得较高精度和线性度、较好稳定性和动态性能。一般将固定梳齿偏置，从而表头结构左右对称形成一组差动检测电容和一组差动反馈加力电容[2]，S₁和S₂构成一对检测电极，F₁和F₂为一对施力电极，X 方向为加速度敏感方向，d0为检测电极和施力电极的有效间距，加速度计平面原理图见图1.

　　当沿图1中的X 方向存在为0 的加速度时，质量将位于差分平板电容的平衡位置，附加在质量块上的动梳齿和固定的S₁和 S₂的相等且距离为d₀. 检测端存在的差分电容C_s1和C_s2大小相等，有:

式中: ε₀为真空介电常数; ε 为介质的相对介电常数; A 为总的检测极板间的有效面积。

　　当X 方向存在不为0 的加速度a 时，附着在折叠梁上的质量块受到惯性力Fa，方向与加速度方向相反。在惯性力作用下，检测质量块发生位移，附加在质量块上的动梳齿将偏离原理的平衡位置，对于差分电容对，一边间距增大Δd，一边减小Δd. 此时检测电容随之发生改变，新的检测电容为