一种低噪声MEMS电容式加速度传感器的设计.docx

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一种低噪声MEMS电容式加速度传感器的设计

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周岩李彦哲李金平孙风光

摘??要：基于差分电容原理和MEMS技术，设计了一种低噪声MEMS电容式加速度传感器。该加速度传感器包括一个敏感芯片和一个采用变送集成技术的信号调理电路。通过优化敏感芯片的结构和低噪声的信号调理电路相结合，制作出加速度传感器。利用MEMS技术制作的微结构封装的加速度传感器经过测试，验证了该传感器具有高灵敏度，高分辨率和低噪声特点。

关键词：低噪声?差分电容?MEMS?加速度传感器

中图分类号：TP212?????????????????文献标识码：A????????????文章编号：1674-098X（2019）04（c）-0105-02

在我国航天航空事业蓬勃发展的今天，加速度传感器在航天航空系统中发挥着越来越重要的作用。本文主要研究利用差分电容原理、体硅MEMS敏感结构的低噪声加速度传感器的可行性，并进行了相关的实验测试。该加速度传感器具有体积小、重量轻、高灵敏度和低噪声等特点，可以满足航天航空系统对传感器小型化的要求。

1?敏感芯片设计

为了提高加速度传感器灵敏度、提高测量范围和减小非线性误差，敏感结构采用差动式电容结构，如图1所示。与单边活动的电容传感器相比，它具有误差范围小、测量范围宽等优点。

若活动极板的初始位置距两个固定极板的距离均为d0，则固定极板l和活动极板3之间的电容与固定极板2和活动极板3之间的初始电容相等，若令其为C0，当活动极板3在被测物体作用下向固定极板2移动Δd时，则位于中间的活动极板到两侧的固定极板的距离分别为：

活动极板和两个固定极板构成电容分别C1和C2，当二者形成差动式电容器时，其电容差等效为：

由上式可见电容的变化量与位移△d成非线性关系，但微小量检测中，如线膨胀测量等，一般都可以略去高次项，那么就得到下式，输出特性得到改善。

灵敏度S为：

芯片的弹性敏感元件为对称的“四梁-惯性质量”结构，中间惯性质量对加速度具有敏感特性，将加速度信号转换成惯性质量的位移量，惯性质量相对上下极板间的距离发生变化，通过检测电容量的变化实现加速度的测量。为消除电容可动极板各点位移量不同所引起的输出非线性问题，减小传感器的横向灵敏度比，通常传感器采用对称结构，当四悬臂梁结构在惯性质量产生位移时，只有四个梁产生弯曲变形，惯性质量基本保持不变。为了进一步提高灵敏度采用一种折叠梁弹性结构，该结构的优点是可以增大惯性质量的位移量，使电容可动极板产生的电容变化量增大，从而提高灵敏度，如图2所示。

2?调理电路设计

选用电容式信号测量电路作为加速度传感器的信号调理电路，该电路主要包括电荷放大器、移相器、相敏解调、放大电路及低通滤波几部分。这样，在MEMS加速度傳感器尺寸作得小的情况下，可以获得大的灵敏度、动态范围和频响并且可以有效减小甚至消除寄生电容影响。图3为信号调理电路原理框图。

从电路原理框图可以看出，该电路使用到了两个运算放大器，构成两路电荷放大结构。两路运算放大器的一致性和运算放大器周围器件的一致性对检测精度有很大影响。为增强两路结构中运算放大器的一致性，同时减小电路板面积，实际电路中采用的是双运放芯片来解决此问题。

3?加速度传感器性能

利用MEMS技术设计的加速度传感器如图4所示。该加速度传感器具有很小的输出噪声，MEMS加速度传感器等效噪声如图5所示。MEMS加速度传感器满量程下输出噪声为500ng/。

4?结语

基于差分电容原理和MEMS技术设计、制作了一种低噪声MEMS加速度传感器。本文很好解决了小型化加速度传感器低噪声、高灵敏微结构的问题。通过测试，得出MEMS加速度传感器具有很好的具有高灵敏度，高分辨率和低噪声特点。目前，传感器的初步设计和实验已经完成。如何优化传感器性能和实现传感器工程化应用是后续的工作。

参考文献

[1]曹新平，张大成，黄如，等.一种大厚度的三轴差分电容式微硅加速度计[J].仪器仪表学报，2002（6）：572-575.

[2]李清宝，陆德仁，王渭源.变面积结构微机械电容式加速度传感器[J].中国工程学报，2000，2（2）：36-40.

[3]罗斯建.电容式微机械加速度计检测电路研究[D].浙江大学，2007.

科技创新导报2019年12期

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