一種低噪聲MEMS電容式加速度傳感器的設(shè)計(jì)

周巖 李彥哲 李金平 孫風(fēng)光

摘? ?要：基于差分電容原理和MEMS技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種低噪聲MEMS電容式加速度傳感器。該加速度傳感器包括一個(gè)敏感芯片和一個(gè)采用變送集成技術(shù)的信號調(diào)理電路。通過優(yōu)化敏感芯片的結(jié)構(gòu)和低噪聲的信號調(diào)理電路相結(jié)合，制作出加速度傳感器。利用MEMS技術(shù)制作的微結(jié)構(gòu)封裝的加速度傳感器經(jīng)過測試，驗(yàn)證了該傳感器具有高靈敏度，高分辨率和低噪聲特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：低噪聲? 差分電容? MEMS? 加速度傳感器

中圖分類號：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0105-02

在我國航天航空事業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，加速度傳感器在航天航空系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文主要研究利用差分電容原理、體硅MEMS敏感結(jié)構(gòu)的低噪聲加速度傳感器的可行性，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測試。該加速度傳感器具有體積小、重量輕、高靈敏度和低噪聲等特點(diǎn)，可以滿足航天航空系統(tǒng)對傳感器小型化的要求。

1? 敏感芯片設(shè)計(jì)

為了提高加速度傳感器靈敏度、提高測量范圍和減小非線性誤差，敏感結(jié)構(gòu)采用差動(dòng)式電容結(jié)構(gòu) ，如圖1所示。與單邊活動(dòng)的電容傳感器相比，它具有誤差范圍小、測量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

若活動(dòng)極板的初始位置距兩個(gè)固定極板的距離均為d0，則固定極板l和活動(dòng)極板3之間的電容與固定極板2和活動(dòng)極板3之間的初始電容相等，若令其為C0，當(dāng)活動(dòng)極板3在被測物體作用下向固定極板2移動(dòng)Δd時(shí)，則位于中間的活動(dòng)極板到兩側(cè)的固定極板的距離分別為：

活動(dòng)極板和兩個(gè)固定極板構(gòu)成電容分別C1和C2，當(dāng)二者形成差動(dòng)式電容器時(shí)，其電容差等效為：

由上式可見電容的變化量與位移△d成非線性關(guān)系，但微小量檢測中，如線膨脹測量等，一般都可以略去高次項(xiàng)，那么就得到下式，輸出特性得到改善。

靈敏度S為：

芯片的彈性敏感元件為對稱的“四梁-慣性質(zhì)量”結(jié)構(gòu)，中間慣性質(zhì)量對加速度具有敏感特性，將加速度信號轉(zhuǎn)換成慣性質(zhì)量的位移量，慣性質(zhì)量相對上下極板間的距離發(fā)生變化，通過檢測電容量的變化實(shí)現(xiàn)加速度的測量。為消除電容可動(dòng)極板各點(diǎn)位移量不同所引起的輸出非線性問題，減小傳感器的橫向靈敏度比， 通常傳感器采用對稱結(jié)構(gòu)，當(dāng)四懸臂梁結(jié)構(gòu)在慣性質(zhì)量產(chǎn)生位移時(shí)，只有四個(gè)梁產(chǎn)生彎曲變形，慣性質(zhì)量基本保持不變。為了進(jìn)一步提高靈敏度采用一種折疊梁彈性結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以增大慣性質(zhì)量的位移量，使電容可動(dòng)極板產(chǎn)生的電容變化量增大，從而提高靈敏度，如圖2所示。

2? 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

選用電容式信號測量電路作為加速度傳感器的信號調(diào)理電路，該電路主要包括電荷放大器、移相器、相敏解調(diào)、放大電路及低通濾波幾部分。這樣，在MEMS加速度傳感器尺寸作得小的情況下，可以獲得大的靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和頻響并且可以有效減小甚至消除寄生電容影響。圖3為信號調(diào)理電路原理框圖。

從電路原理框圖可以看出，該電路使用到了兩個(gè)運(yùn)算放大器，構(gòu)成兩路電荷放大結(jié)構(gòu)。兩路運(yùn)算放大器的一致性和運(yùn)算放大器周圍器件的一致性對檢測精度有很大影響。為增強(qiáng)兩路結(jié)構(gòu)中運(yùn)算放大器的一致性，同時(shí)減小電路板面積，實(shí)際電路中采用的是雙運(yùn)放芯片來解決此問題。

3? 加速度傳感器性能

利用MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)的加速度傳感器如圖4所示。該加速度傳感器具有很小的輸出噪聲，MEMS加速度傳感器等效噪聲如圖5所示。MEMS加速度傳感器滿量程下輸出噪聲為500ng/。

4? 結(jié)語

基于差分電容原理和MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)、制作了一種低噪聲MEMS加速度傳感器。本文很好解決了小型化加速度傳感器低噪聲、高靈敏微結(jié)構(gòu)的問題。通過測試，得出MEMS加速度傳感器具有很好的具有高靈敏度，高分辨率和低噪聲特點(diǎn)。目前，傳感器的初步設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)已經(jīng)完成。如何優(yōu)化傳感器性能和實(shí)現(xiàn)傳感器工程化應(yīng)用是后續(xù)的工作。

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