隧道加速度计零偏漂移的动态补偿

　　20 世纪80 年代中期，科学家们将扫描隧道显微镜的电子隧道原理，应用于传感器设计[1]，同期微电子机械系统(MEMS)的发展有力支持了传感器的微型化、集成化。以美国为代表，开发和集成了基于电子隧道原理的微型加速度计，其具有灵敏度高、体积小、能耗低、易集成等特点，有着良好科研和实用前景[2]。

　　由于隧道加速度计必须工作在闭环状态下，因此其相应的反馈控制电路是研究隧道加速度计最为重要的部分，设计合理的信号处理电路及反馈控制电路能极大地提高了隧道加速度计的灵敏度和分辨率。但在之前的闭环测试中，上电后能观测到非常明显的漂移，虽然漂移的速率会随时间下降，但由于经过一段时间后电压始终向上漂移，长时间后会导致输出饱和。因此，需要通过结构设计来抑制零漂，并在电路设计上进行补偿。

　　1 隧道式加速度计的组成

　　隧道式加速度计主要包括机械结构和后续处理电路两部分：机械结构部分也称为敏感单元，由北京大学微电子所设计、加工，包括质量块、硅梁、隧尖及对电极和反馈电极等部分[3];I-V 转换电路将隧道电流转换成电压，然后通过滤波放大等环节对电压信号进行处理，放大后的电压经反馈模块至隧道式加速度计的反馈电极。

　　1.1 静电驱动力

　　目前微机械器件中常用的驱动方式有静电驱动、热驱动、压电驱动、形状记忆合金等多种方式。对于微机械隧道加速度计而言，最常用的是静电驱动方式。静电驱动是微机械器件中最易实现的一种驱动方式，具有响应快、功耗低、驱动力适中等特点，符合微机械隧道加速度计对驱动力的要求[4]。为了保证加速度计在开环状态下有一定的抗过载性能，隧道加速度计的隧尖与对电极必须保持一定的初始间距，但是间距过大会造成敏感元件隧道电流阈值电压过高，不利于敏感元件的应用，而且会在电极间引入较大的漏电干扰。因此结合敏感元件的悬臂梁弹性系数和质量块的质量，来计算出初始隧尖与对电极的高度，这也决定了初始反馈电压的大小。在不考虑边缘效应的情况下，静电力可以通过储能的方式进行计算，储存在电容上的电能为：

　　其中，ε 为介质相对介电常数， 0 ε 为真空介电常数， x 为极板间距， A 为极板面积。

　　对极板间距求微分即可得到极板之间静电力的大小：

　　由上式可以看出，在敏感头的加工过程中，极板面积A 、极板间距x 都将决定静电驱动力F 的驱动效果，即机械结构决定了外围电路的初始参数。

　　根据分析，将参数调整到质量块处于力平衡位置时的间距为l nm，此时在没有加速度输入的情况下，静电力和弹性力达到平衡状态，如图2 所示。当有加速度作用时，能产生隧道电流，有反馈电压施加至敏感头形成静电驱动力时，机械参数直接影响反馈电压能否准确的将质量块拉回至平衡位置，产生相应于外界加速度的电压值。