微机械电容式加速度计的结构及检测技术研究

　　0　引言

　　随着MEMS技术的发展,微机械电容式力平衡加速度计[1]以其测量精度高、温度效应低、实时性好等优点受到了人们的广泛关注,成为研究热点。电容式加速度计由敏感质量块和固定壳体两部分组成。敏感质量块所承受的加速度使其产生位移,导致电容的变化,采用测量电路将电容变化转换成电压变化,从而将被测非电量信号转换成电信号[2]。由于微加速度计结构的微型化,其电容量一般只有几个pF,电容变化量则更小,因此要求检测电路能够检测微小信号[3-4]。设计的电容式微加速度计结构为典型的三明治结构[1](如图1所示),采用Mi-crosensors公司的电容检测芯片MS3110[5]作为测量电路,并使用单片机实现对该芯片的内部参数的调节,使其能够正常工作。

　　1　差分电容检测原理

　　如图1所示,M为敏感质量块,与上下固定电极构成差分电容。当外部加速度a=0时,M位于中间位置,C₁=C₂=C₀.当有加速度作用于加速度计时,敏感质量块偏离平衡位置,产生位移Δd.假设产生向上的位移,则:

　　由于静电力反馈,质量块位移很小,Δd<

  为检测加速度,通常在2个固定极板上分别施加互补(相位相差180°)的高频方波信号V_R(t)和-V_R(t)。则中间极板输出的交流感应信号V_S(t)为：

      　接口电路将敏感质量块上的交流电压信号放大,经解调电路解调后,由滤波电路输出一个与加速度a相一致的电压信号。

　　2　检测电路

　　2. 1　微加速度计的结构

　　由于工艺等原因,微加速度计可能产生局部缺陷,如部分支撑梁断裂或对称性不高,使得电容极板的左右变形不一致,从而导致加速度计不能正常工作。通常的检测方式很难检测出这种缺陷,为解决这类问题,文中对下极板的结构进行了设计,使加速度计能够自行检测自身的对称性,如图2(a)所示。下极板被分为3个部分, S₁、S₂为面积相等的2块对称检测电极, S₃为驱动电极。加速度计工作在普通模式时,只需将S₁、S₂、S₃短接,如图2 (b)所示,由于S₁、S₂、S₃之间的缝隙很小,且在自检模式中作为驱动电极的S₃在普通工作模式下与S₁、S₂同样参与工作,故电容极板的面积损失可以忽略不计。当加速度计工作在自检模式时,如图2(c)所示,分别在S₁、S₂上施加大小相等、方向相反的方波V_R与-V_R,根据电荷守恒原理:

　　图2　微加速度计的基本结构及不同工作模式