非硅MEMS电容式微加速度计的测控电路设计

　　0 引 言

　　随着微机电系统( MEMS) 的发展，微加速度计在航空航天、武器装备、汽车、消费电子等方面有着广泛的应用与需求，尤其在冲击载荷测量、弹药引信等领域，对高过载高gn( gn为重力加速度) 值加速度计提出了较高要求: 上万至数十万 gn量程，且频率范围较宽，工作环境恶劣。其中，电容式微加速度计灵敏度和测量精度高、稳定性好、温度漂进行自检，通过实现闭环控制，可显著提高传感器的性能，是高过载 MEMS 微加速度计的一个重要发展方向^[1，2]。

　　电容式微加速度计的敏感机械结构主要有 2 种形式:梳齿结构和三明治结构。其中，三明治结构只包含一组差分电容，结构简单，却可输出较大信号，灵敏度高，且机械强度高于前者，可达到很高的量程。针对硅材料脆性大、加工工艺复杂、支撑梁易于发生高冲击断裂失效( 尤其是梳齿结构) 等问题，本文给出了一种基于 UV-LIGA 技术的非硅MEMS 金属多梁支撑圆盘敏感质量的“三明治”结构电容式高 gn微加速度计，对其结构、微位移微弱电容信号检测及其测控电路进行了设计，对高频载波发生、电荷积分放大前置级、相敏解调等各级电路进行详细设计，并通过电容标定实验对微位移检测通道进行了性能评估和验证。

　　1 微加速度计的结构与特点

　　金属多梁支撑圆盘敏感质量电容式微加速度计，其质量块、支撑梁和上下电极均采用金属材料，金属的断裂韧度远高于硅系材料，如采用准 LIGA 微加工工艺得到的镍制件的静态断裂韧度为 52. 73 MPa·m1 /2^[3]，多晶硅的静态断裂韧度却仅为 2 MPa·m1 /2^[4]，而对于各种材料，其动态断裂韧度最小值可认为是静态断裂韧度的 70 %，可见镍的静态断裂韧度和动态断裂韧度都比多晶硅高得多，可在很大程度上防止发生断裂，提高抗冲击能力。微加速度计的结构如图 1 所示，上下电极采用金属薄膜材料，中间梁—质量块结构采用镍材料，为了减小阻尼，在质量块上均匀分布了一些减阻通孔。此外，这些通孔可增加牺牲层湿法刻蚀的通透性，释放在制作工艺中引起的残余应力。为了提高抗过载能力，中间质量块采用多梁支撑的圆盘形状，以降低边缘应力分布，且相比方形质量块结构变形分布均匀。增加支撑梁的数目，在一定程度上使应力分布更加均匀，同时也增加了质量块的抗冲击能力，提高了量程。轴向止档可以防止中间质量块运动时触和上下电极引起短路。上下定子电极分成三部分，分别为中间的施力电极与 2 个对称的检测电极。正常工作测量输入加速度时，施力电极和检测电极合用，提高检测灵敏度。分开使用时，通过在施力电极施加静电力模拟输入加速度，可用于实现微加速度计的自检、自标定功能^[5]。