MEMS加速度传感器的研究报告

MEMS加速度传感器的研究

摘要：微传感器因其尺寸微小，测量准确度和灵敏度高而广泛应用于工程、医学、生物等各个领域。本次报告中，我们将对MEMS技术在惯性传感器件应用——加速度传感器作为讨论学习的主要内容。本报告选取电容式加速度传感器为例，分别从原理、工艺、检测电路、应用等几个方面展开说明，涉及MEMS电容式加速度传感器的各个方面，较为全面。很多都是自己的理解，因此也易于接受。

关键词：MEMS 加速度传感器检测电路

0 引言

随着微机械系统和微加工技术的发展，微型传感器也随之迅速发展。惯性系统已广泛用于航天、航空、航海和许多民用领域，成为目前各种航行体上应用的一种主要导航设备，能够提供比较精确的姿态与多种导航信息。我们利用惯性敏感元件和初始位置就可以确定载体的动态位置、姿态和速度。而加速度计作为惯性系统的一个核心敏感器件，虽然较陀螺仪发明较晚，但是发展速度很快。各个较大的半导体公司如MOTOROLA和Analog Devices Inc. 等都在MEMS加速度计的研发生产中取得了很大的成就。因此，此次对于MEMS加速度传感器的研究对于了解专业发展前沿和激发自己的学习兴趣都有很大的帮助。

根据原理不同，MEMS加速度传感器可以分为压阻式、压电式、电容式、谐振式和隧穿式等几大类，为了突出重点，对MENS传感器的原理、工艺及应用有个全面的了解，我们在此选择了其中的一种——电容式加速度传感器做深入研究。

1 电容式加速度传感器的原理

1.1 基本原理

电容式传感器是电容值随环境参数变化而发生改变的传感器。根据平板电容器的表达式C=εS/d可知，S和d的变化都会导致电容的变化，因此电容式加速度计的测量原理又可分为变面积式和变间距式，由于变间距式在制造工艺上的优越性，因此当今大部分电容式加速度计都是采用变间距来改变电容进而来测量加速度。电容式加速度传感器的结构示意如图1

所示。

微电容式加速度传感器的工作原理是：当传感器的质量块受到加速度作用的时候，会产生惯性力，这个惯性力会使梁发生变形。把梁作为电容器的一个电极，当梁发生形变时，电容器两极板之间的距离将会发生变化。根据平板电容关系式为:

式中ε，A，d分别是电极间的介电常数、有效面积和极板间距。所以压力载荷引起的极板间距d的变化必然会使电容C发生相应的变化。当极板间距减小x时，电容变为：

因此只要通过测得电容的变化量，就能求x的大小，进而出加速度的大小。

1.2 差分电容结构

由于采用MEMS技术制备的加速度计尺寸很小，所以惯性质量块响应加速度移和以及电容变化都非常微弱，为了提高测量精度，一般情况下所设计的微式加速度计都是采用差分电容测量方式。差分测量的两个电容，由于在相同境下受到的外界干扰噪声一样，所以可以通过相减消除或抑制共模的环境变素影响，把绝大部分干扰噪声排除掉，大幅提高信噪比，差分电容原理如图2，图3为常用的梳状结构的差分电容。

图2 差分电容原理

图3 梳状结构的差分电容

2 电容式加速度计的工艺

微电容式加速度传感器是基于MEMS技术的，所以它应该符合MEMS的标准工艺。MEMS 工艺是建立在IC工艺基础上的，主要包括：清洗、氧化、光刻、腐蚀、溅射、扩散、键合、引线与封装等。微电容式加速度计工艺的关键步骤就是制造梳状电容，梳状电容的微观结构如图4所示。

图4梳状差分电容的微观结构

因此，电容式微加速度计的主要工艺流程图如下：

图5 电容式微加速度计工艺流程

在工艺流程中，除了SOI(Silicon．on．insulator)技术外，还用到了湿法腐蚀：先将材料氧化，再通过化学反应使一种或多种氧化物或络合物溶解。干法腐蚀：ICP：等离子体刻蚀RIE：反应离子刻蚀，由于湿法腐蚀较难达到所需的精确长宽比要求，所以采用ICP和RIE等干法刻蚀技术进行器件的加工制作。

3 电容式加速度计的检测电路设计

3.1 检测电路的作用及其分类

前面我们讨论加速度计基本原理的过程中可以看到，电容式加速度传感器的基本原理是通过改变平板电容的面积或者平板间距来达到电容的变化，进而变换成加速度的大小，我们看到，只有测出电容的变化量，才能得到加速度的大小，因此，设计电容检测电路，是加速度计设计的又一重要内容，将硅微加速度传感器芯片与相应的检测电路相匹配才能构成一个完整的加速度传感器系统。

结合加速度传感器中差分电容的性质，对电容的检测从基本原理上划分，目前来说主要有四种：开关电容检测电路、AC桥式检测电路、谐振式检测电路和电荷放大式检测电路。

3.2 电荷放大式检测电路的原理

本次学习过程中，我主要对其中的在当今传感器产业中比较常用的电荷放大式检测电路进行的了些研究和调研。其原理图如下图4所示：

图4 电荷放大检测电路

原理图中，V1，V2为两路同频同幅反相的正弦信号作为激励源，图中的反相运放的输入阻抗很低，反馈电容C f用来去除高频毛刺,C1,C2为差分电容的两个电容的的小，我们在此设定其初始值为C0，则有C1= C0+△c，C2= C0一△c，激励源为：

则有输出结果为：

至此，我们将电容的变化通过放大成电压的变化，达到了检测的目的，电荷放大式检测电路的灵敏度和分辨率都比较理想，非常适合对微机械电容式加速度传感器进行检测。3.3 Anolog Device 公司的ADXL150 接口电路

该系统的工作原理为：基准电压源(未画出)为整个电路提供稳定的电压，信号发生器产生振荡频率为1MHz 的正弦波，一路直接加到传感器的固定电极上，另一路反向180º后加到传感器的另一个电极上。当有加速度信号作用在活动梁上时，因加速度信号频率与信号源频

率相比很小(如为1kHz)，故实际上此时从传感器输出的信号可看作加速度信号经过调制的电压信号，信号包络就是与加速度成线性关系的电压信号，该电压信号经过电荷放大器放大，在经过解调后，就得到所需要的低频信号，在通过一个低通滤波电路滤除噪声信号和干扰信号，最后得到所需要的模拟信号，并把信号分别去控制加速度传感器的反馈电极。

4 加速度传感器的应用

加速度计是一种能测量加速度力的电子设备，通过加速度的测量，可以了解运动物体的运动状态，因此加速度传感器广泛运用于航空航天、武器系统、汽车、消费电子等领域。

4.1 MEMS加速度计在汽车上的应用

随着社会的进步和经济的发展，汽车已经成为人们生活中的一个重要工具，随着技术的提高，我们的汽车越来越舒适，越来越安全。由于加速度传感器可以实时测量物体的加速度，并且MEMS加速度计体积很小，精度和灵敏度都很高，因此用在汽车的安全气囊系统中，通过MEMS加速度计测量加速度，并将加速度实时反馈给汽车的控制系统，当发生车祸碰撞的时候，由于加速度很大，控制系统受到信号后，就可以立即打开安全气囊，保护驾驶者的安全。

4.2 MEMS加速度计在消费电子领域的应用

消费电子有其自身的特点, 尤其是便携式设备, 总在要求其元器件体积小、功耗低, 而功能却不能少。随着MEMS产业的发展，越来越多的MEMS产品被用到消费电子领域，MEMS 加速度计就是一个实例。例如IBM的某一系列笔记本电脑开发出了MEMS加速度传感器的新用途,将加速度计集成在电脑的电路中，当电脑急速下坠时, 硬盘会迅速停止读写,避免撞击引起的数据损失。还有将一个X，Y双轴加速度传感器被放置到普通的手机里以后, 就可以完全取代上下左右四个方向键, 只要晃一晃, 光标就会随心所欲的移动。如果带摄像头的手机应用这项技术, 可以自动监测重力方向, 让横拍或是竖拍的照片在浏览时都能以正确的方向显示。MEMS加速度计在消费电子领域的应用可以说非常广泛，只是需要我们运用自己的创造力和想象力去实现。

MEMS加速度计还有很多应用，如测量倾角反馈调整方向等，可以说MEMS加速度计产业的的前景非常好。

5 结束语

为了保证一个报告的完整性，将微加速度传感器完整的呈现给大家，本报告从电容式MEMS加速度传感器的基本原理、主要工艺、测试电路以及MEMS加速度计的应用四个主要方