一种双轴电容式微机械加速度计

　　MEMS 正处于发展时期, 其技术和市场都尚未成熟, 但孕育的广阔发展前景、巨大的社会、经济效益是世人共知的, 微机械加速度计是其中最成功的代表之一, 广泛应用于航空航天、汽车电子[ 1] 、工业检测等领域. 微机械加速度计的研究始于20 世纪70 年代初, 并在80 年代末形成单轴微机械加速度计产品, 90 年代末出现了多轴的微机械加速度计[ 2] , 市场上最具有代表性的是美国AD 公司ADXL 系列微机械加速度计. 微机械加速度计发展很快, 有压阻式、电容式、压电式、力平衡式、热对流式、谐振式和隧道电流式等多种形式.与诸多形式相比, 电容式微机械加速度计灵敏度高、温度漂移小、稳定性好、抗过载能力强、便于自检、易于实现低成本的高精度测量, 是目前微机械加速度计设计的主流[3-4] . 电容式微机械加速度计在国外发展较为成熟, 并成功产业化, 在国内还处于实验室样机阶段, 距产业化还有一定的距离. 现有的微机械加速度计产品大都是中低精度的, 测量精度还不能达到惯性级的要求, 严重限制了其应用范围, 只是较多地应用在精度要求不高的商用领域. 微机械加速度计产品多是单轴的,而实际应用中常常需要双轴或三轴加速度计来测量加速度矢量, 公开的文献中大多是对单轴加速度计的研究, 多轴加速度计的研究报道较少. 目前微机械加速度计的研究方向主要集中于高精度、多轴集成和数字化输出方面, 提高加速度计性能就是要实现多轴的高灵敏度、低噪声、低漂移和大动态范围的测量. 双轴电容式微机械加速度计有三种构成形式: 其一是将两只单轴微机械加速度计正交地封装在一起; 其二是将两个单轴加速度计正交地制作于同一硅片上; 其三是采用一体化设计, 用一个质量块实现二维加速度测量. 前两种形式的加速度计装配困难、稳定性差、精度低、体积大、成本高, 第三种形式的加速度计体积小、重量轻、精度高. 本文设计的双轴电容式微机械加速度计属于第三种形式, 它能够实现高精度的二维加速度测量.

　　1 结构方案

　　电容式微机械加速度计的工作原理是: 首先通过敏感质量将加速度转化为惯性力, 惯性力使敏感质量发生位移, 由电容测得的位移量推算出加速度.同时, 为了提高测试精度、减少微机械加速度计的非线性, 采用静电力反馈构成力平衡式闭环系统, 使质量块工作在0 位平衡位置.

　　根据上述工作原理设计的双轴电容式微机械加速度计的结构形式如图1 所示, 它包括基片( 1)、质量块(2) 、弹性支撑( 11、12、21、22、31、32、41、42)、驱动电极和检测电极( 13、14、23、24、33、34、43、44) 、齿枢和止挡部分. 结构为中心对称图形, 通过一个质量块敏感两个正交方向的加速度, 质量块居于结构的中心, 质量块外围是弹性支撑、止挡、驱动电极和检测电极. 设计的弹性支撑较好地实现了正交方向的解耦, 使两个方向的灵敏度、分辨率都较高. 弹性支撑是以正方形的四个角为锚点, 其结构稳定性好. 设计的止挡结构可防止在较强的冲击下弹性支撑结构断裂, 可以有效地实现过载保护. 以梳齿电容的形式实现差动的静电驱动、电容检测, 使加速度计有效地消除共模干扰, 提高加速度计的灵敏度和分辨率. 设计的结构易于实现高精度的二维加速度测量.