电容式微加速度传感器

电容式微加速度传感器的应用与发展

引文：

现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。在诸如军工、空间系统、科学测量等领域，需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，它的性能价格比很高。可以预见在不久的将来，它将在加速度传感器市场中占主导地位。

电容式微加速度传感器是基于电容原理的极距变化型电容传感器，其中一个电极是固定的，另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力（气压、液压等）作用下发生位移，使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流（或液流）的振动速度（或加速度），还可以进一步测出压力。

电容式微加速度传感器因具有如下一些特点而受到重视；①很高的灵敏度和测量精度}②良好的稳定性；③温度漂移小；④功耗极低；⑤良好的过载保护能力；⑥便于利用静电力进行自检。本文将对电容式微加速度传感器的结构和特点加以介绍，并对这类传感器的若干关键技术及研究方向进行探讨，以及他的应用领域分析。

目前研究的现状和未来发展趋势

1 立体硅工艺电容式微加速度传感器

硅是制作无滞后弹性元件的理想材料。利用各向异性刻蚀、阳极键合等硅整体加工技术，可在硅材料上制出尺寸微小的电容式加速度传感器。其成本与压阻式硅微加速度传感器相近，但灵敏度、分辨率、精度、动态范围和稳定性均忧于压阻式。这种传感器早期多采用开环工作方式，现在大多采用闭环方式。

静电力平衡式就是一种闭环工作方式，原理见图1。敏感质量块(活动电投)的位移被测量电容c．、c：拾取，得到输出电压，再反馈到施力电极A-、A 上，产生静电力作用于敏感质量块。该静电力抵消了惯性力的作用，使质量块回到并保持在原位景，测量电容的输出保持为零。这时反馈电压与被测加速度成线性关系，可作为被测加速度的度量。采用这种工作方式，质量块的偏移极小，大大降低了横向灵敏度，电容间隙也可以做得很小。极小的电容间隙能大幅度提高灵敏度、精度和分辨率，线性和稳定性也得到改普，还能提供气体膜阻尼来抑制结振。

图1 静电力平衡式硅微加速度传感器原理图

图2是一种典型的静电力平衡式硅微加速度传感器。基本结构仍是玻璃一硅一玻璃“三明治”式。上下两块玻璃上沉积了金属层，与中间的掺杂硅片有2 m 间隙，构成10 pF的差动电容，既用作测量电容又作施力电容。质量块由两根扭转轴支持，可敏感垂直于硅片方向的加速度。采用这种扭转结构，很小的敏感质量就能获得较高的灵敏度。因此中间硅片做得很薄，厚度仅1．3 m，扭转轴可由此硅片经简单的二维刻蚀制成。它的精度达到2．5×10～g，灵敏度为4 ／g，工作范围是0．O1 g～10 g，工作频带为0~200 Hz。

图2 扭转结构的静电力平衡式硅僦加速度传感器

2 表面硅工艺电容式微加速度传感器

表面硅工艺是指用类似Ic工艺的方法在硅片表面制作徽机械结构的技术，主要包括硅的氧化和氯化、多晶硅沉积和捌蚀、牺牲层捌蚀等。该工艺与Ic工艺兼容．制作精度很高，重复性好，成品率高，可以像制造电子元件一样进行大批量生产。用这种工艺制作的徽加速度传感器，机械结构与检测电路可集成在一个芯片上．因而更加灵巧、可靠。

世界上第一种用表面硅工艺大批量生产的加速度传感器ADXL50口由Analog Devices公司和Siemens公司于1993年联合研制成功，用于汽车气囊保护系统。量程为士5O g，灵敏度为20 mV／g，精度达到0．25 ．工作温区为一55～125℃。采用与集成电路BIMOS工艺兼容的表面微机械加工技术制造，徽结构与信号处理电路集成在同一硅片上。整个传感器的尺寸为 9．4 mm×4．7mm，形同电子元件．是真正廉价而高性能的现代传感器。如图3所示：

图3 表面硅工艺多轴静电力平衡式截加速度传感器

3 LIGA工艺电容式微加速度传感器

L1GA工艺是一种全新的微机械加工技术，主要包括x光深度同步辐射光刻、电铸制模和注模复制3个工艺步骤，被认为是下个世纪晟有前途的三维加工方法。它具有硅加工技术难以企及的一些优点。L1GA工艺与牺牲层技术相结合可在一个工艺步骤中同时加工出固定的和活动的金属微结构，省去了调整和装配的步骤，特别适合于制作敏感质量块一悬臂梁结构的电容式微加速度传感器。这种传感器与硅电容式微加速度传感器比较有许多优点：①静态电容较大；②温度漂移系数小；③线性度高；④横向灵敏度小；@徽结构较厚，牢固可靠据报道，德国Kerlsurhe核研究中心研制出这类传感器的两代产品见图4

图4 Ker|surhe核研究中心研制的第二代LIGA工艺加速度传感器的微结构示意圈

微结构仍用镍制成．附着在10 mm×2O mm的陶瓷基片上。叉形敏感质

量块由两根平行的悬臂粱支撑，与4个固定电极形成两对4.5pF的差动电容。这两对差动电容的温度漂移系数一正一负，适当设计它们的结构参数可使温度变化带来的影响相互抵消。整个仪器的温度漂移系数为10 g／℃，工作温区达到一10~100℃。该传感器仍采用静电力平衡方式，量程有土l g、±2g、±5 g、士10 g 4种，灵敏度达到20 ／g，精度达到10 g(土l g量程)，线性误差也比第一代产品小。缺点是频率特性较差，谐振频率仅有250 Hz，阻尼系数为0．25。

4 电容式微加速度传感器的关键技术及研究方向

a，频率响应特性的改善；

b，阻尼控制；

c，横向灵敏度的抑制；

d，温度漂移的抑制；

e，信号检测与处理电路；

f，封装；

电容式微加速度传感器的重要性已引起国内一些单位的重视。清华大学、复旦大学等开展了立体硅工艺电容式微加速度传感器的研制，取得初步进展；中国科学院高能物理研究所、中国科学技术大学、上海交通大学等利用北京正负电子对撞机和合肥同步辐射加速器的光源，着手研制 L1GA工艺电容式微加速度传感器，目前都还处于微结构设计和加工阶段。

电容式微加速度传感器的应用分析

加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。加速度传感器可以用来分析发动机的振动。目前最新IBMThinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。

具体应用实例：

加速度传感器在汽车中的应用

加速度传感器安装在轿车上可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。

装有传感器的假人

汽车安全气囊