微电容加速度计系统的设计

　　0　引　言

　　随着微机电系统(MEMS)加工工艺不断渗透到机械制造行业,出现了很多微型传感器。硅微电容加速度计就是其中之一,近十余年来,硅微电容加速度计是MEMS领域中研究的热点,并在军用和民用领域中得到了广泛应用。电容式微加速度计主要结构为“叉指”式和“三明治”式,本文以叉指式微加速度计为研究对象。基于开关电容电路的全差分二阶∑-ΔADC接口检测电路更适合与MEMS技术生产的微加速度计集成在一起,不仅可以达到低功耗、低成本,而且,在检测的精度和范围都有很大的优势。

        本文运用CoventorWare软件建立加速度的机械模型,并结合机械模型进行检测电路的系统仿真,而不是把微电容加速度计的机械模型简单地等效提取为一组可变电容器来分析检测电路。

　　1　微加速度计的表头设计

　　从动力学角度看,硅微加速度计结构实际上可看成由质量块—弹簧—阻尼构成的二阶系统,加速度计的简化模型如图1所示

　　设质量块运动位移为y,得到加速度计动力学方程为

　　敏感方向位移的变化引起加速度计中定指和动指(和质量块连接在一起)之间电容的变化,图中,中间阴影部分为由质量块和动指构成的动电极,左右两边的阴影部分为固定电极,它们与动电极分别构成可变电容C1和C2。当质量块受敏感方向(y轴)方向加速度作用时,电容C1和C2发生相反的变化,差分电容ΔC=C2-C1也随之变化,显然,加速度越大,质量块偏离平衡位置越大,ΔC也越大,并且,ΔC的正负性与质量块的运动方向有关,即与加速度方向有关。设质量块偏离平衡位置为Δd,则形成可变电容C1的固定电极和动电极之间的距离为d+Δd,形成可变电容C2的固定电极和动电极之间的距离为d-Δd,则

　　空气的介电常数可近似为真空介电常数ε0,S为动指和定指之间交叠的面积。

　　对于硅微电容加速度计而言,由于芯片的尺寸通常在mm量级,动、定电极的尺寸和间距都在μm量级,因此,电容C1和C2都在pF量级左右,考虑到电容变化线性度的要求,通常限定其质量块的变化位移Δd远小于d,式(1)可简化为

　　显然,由于Δd远小于d,可知ΔC的变化量非常小,其值一般比电容C1和C2小一个数量级以上,因此,相应的接口电路对小电容必须有足够的敏感能力。

　　在实际设计中,叉指式微加速度计表头的机械部分主要包含有折叠梁、质量块和叉指式微电容结构。在Cowen-torWare软件中调用这些功能模块,在加上电极和锚点等,通过设定模块的位置、尺寸等各种参数,可以生成一个复杂的系统。

　　经过分析,本文设定质量块的长度为1 600μm,宽度为450μm,叉指的长度为270μm,叉指的重合长度为250μm,指间距离为3μm,每组叉指对之间的距离为35μm。采用体硅刻蚀法为制作工艺,以硅为衬底的厚度为50μm,加速度计的厚度为30μm。