微机械电容式加速度计的结构设计分析

　　一、前言

　　利用MEMS技术生产的微机械加速度计(Micromechanical Accelerometer 简称MMA)，是一种以硅为主要材料的微加速度计。按敏感信号方式可分为微电容式、微压阻式、微压电式和微隧道电流型加速度计[1]。基于电容变化的原理来对加速度进行检测的微机械电容式加速度计具有制作工艺简单、温度系数小、稳定性好、阻尼系数容易控制等优点，因而得到了广泛的应用。其基本参数如固有频率，非线性度，分辨率、量程、稳定性等首先取决于其本身的结构。因此，对其进行结构设计研究具有重要的理论意义及应用价值。

　　二、微机械电容式加速度计的结构设计原则

　　微机械电容式加速度计结构的设计要综合考虑各项性能以达到最佳的整体性能。考虑硅材料的固有材料特性和微加速度计的实际功能，在硅微结构的设计过程中，除了应满足具有较好的强度、易于加工和线性原则外，还应考虑以下原则[2]：

　　(1)同向性原则：当硅微结构受到各方向冲击作用时，只有某一个或某几个方向最为敏感，其余方向则是迟钝的。同向性设计可以保证被传感信息的有效性和无干扰性。

　　(2)灵敏性设计原则：灵敏性设计是指在硅微结构空间中，微纳米量级的位移能反映加速度的变化。并能有效地用相关的电物理量(如电容量)测定出来。即有着较好的灵敏度。

　　三、微机械电容式加速度计的三种常见结构

　　微机械电容式加速度计主要有三种结构，即三明治摆式加速度计结构、翘翘板摆式加速度计和梳齿式微加速度计[3]。

　　1、三明治摆式电容加速度计

　　三明治摆式电容加速度计又称作悬臂梁式硅微机械加速度计(Cantilever Beam Micromachined SiliconAccelerometer，CMSA)，是一种夹层结构的微机械加速度计，因动极板被夹在固定极板中间形似三明治(Sandwich)而得名。该结构相对比较简单，电容可动极板由中间的敏感质量硅摆片的上下两面用电镀的方法制成，与相对应的固定极板组成一组差动电容来敏感输入加速度的大小。当质量块受到加速度激励上下运动时，电容极板间距随之变化，差动电容大小发生改变，理论推导可知差动电容的大小和加速度在质量块位移较小的情况下成近似线性比例关系。但该结构需要在敏感质量块上进行双面光刻，要求工艺设备较多，工艺难度较大。如果排除加工难度的因素，这种结构是较理想的，可做出精度较高、封闭性较好的加速度计。

　　美国 Litton 公司、德国 Litef 公司、瑞士 Neuchatel 大学以及日本日立公司和东北大学均采用体加工法，分别研制成功该结构μg 级的高精度微机械加速度计，表头为玻璃—硅—玻璃或硅—硅—硅三明治结构[4]。