MEMS传感器的原理与构造——MEMS电容式加速度计

一、序言

        MEMS传感器是当今最热门的传感器种类，MEMS技术使传感器微型化、低功耗、集成化成为可能，是未来传感器技术的发展方向之一。传感器技术的演进趋势，是向着超小型化或微系统技术（MST）发展。这方面的一个子系统就是MEMS（微电系统）。MEMS器件兼具电子和机械部件，这意味着其中至少有一种可移动或可形变的部件，而电则是其运作的必需部分。

        微工程学的两大构成，是微电子学和微细加工。在硅片上制造电子电路的微电子学，已经是充分发展的技术。微细加工指的是用于制造微工程学器件的结构和运动部件的技术。

        微工程学的主要目的之一，就是要能够把微电子电路集成到微机械结构之中，制造完全集成化的系统（微系统）。与微电子工业中制造的硅芯片一样，这种系统也同样具有低成本、高可靠性以及小尺寸的优点。

        硅微细加工技术也是已充分开发的微细加工技术之一，因此硅成为用于微系统制造的最佳材料。硅材料有着十分有用的电特性和机械特性。利用这些特性，通过MEMS加工技术，硅材料可广泛用于诸如压力、温度、力及触觉传感器等器件的制造。

        利用在电子电路芯片的制造中已经充分完善的同样方法，薄膜和光刻制备工艺等，能够实现各种各样极其微小和极高精度的机械结构。这些大批量制造技术可用于制造复杂和微型的机械部件，这是用其它方法难以做到的。

二、加速度计的原理

        加速度计需要特殊的、相对较重的部件，其移动滞后于加速度计外壳的移动，而加速度计的外壳则结合至待测物体。所以位移换能器可用来产生加速度作用形成的电信号。

        这个重的部件通常称为激振质量、惯性质量或检测质量。无论传感器设计或转换技术如何，测量的最终目标是检测该质量体相对于加速度计外壳的位移。因此，任何能够在强振动或线性加速度之下测量微小运动的合适的位移换能器，都能用于加速度计。

        电容式位移转换是经过了实践检验且可靠的方法之一。电容式加速度传感器基本都包含至少两个部分，首先是“固定”极板（即连接至外壳），另一个是附着在惯性质量上的极板，能够在外壳内自由移动。这些极板形成电容，其值是极板之间距离d的函数：

其中是介电常数。为真空的介电常数，A是两导体的相对面积，可以说此电容器的值由加速度调制。用电容式加速度计测量的最大位移很少超过20μm。因而如此小的位移需要对漂移和各种干扰进行可靠补偿。通常用差动技术实现，其中以相同结构形成一个额外的电容器。第二个电容器的值必须接近第一个的值，同时要实现180°的相移改变。于是加速度就可由两个电容器值的差来表示。

图1a表示电容式加速度计的截面图，其中惯性质量夹在上盖和基座之间。质量体由四个硅弹簧支撑（图1b）。上盖板和基座板与质量体分隔的距离分别为d1和d2。所有三个部件在硅片上用微机械加工制备。图2是电容至电压转换器的简化电路图，该图在很多方面类似于图3的电路。

图1:a 带有差分电容的电容式加速度计的侧面截面图,   b 由四个硅弹簧支撑的惯性质量顶视图

图2: 适合于在硅片上集成的电容至电压转换器电路图 

图3: 差动式电容至电压转换器的简化原理图和时序图

质量体和上盖电极之间的平行平板电容具有极板面积S1。质量体向上极板移动时，极板间距d1以数量∆减小。第二个电容具有质量体和基座之间的不同的极板面积S2。质量体向上极板移动而远离基座时，间距d2以∆增加。∆的值等于作用于质量体的机械力除以硅弹簧的弹簧常数k：

严格地说，加速度计的等效电路只在静电力不影响质量体的位置时成立，也就是说处于电容与线性相关的情况。加速度计作为开关电容式加法放大器的输入电容时，输出电压取决于该电容的值，因而与作用力有关

在传感器的电容发生小的变化时上式成立。加速度计的输出也是温度和电容失配的函数。建议在整个温度范围内做校准，并在信号处理过程中进行适当修正。另一个确保高稳定性的有效方法，是设计自校准系统，该系统利用的是对上盖或基座电极施加高电压时，在加速度计组件内产生的静电力。