一種低噪聲MEMS電容式加速度傳感器的設計

周巖　李彥哲　李金平　孫風光

摘 要：基于差分電容原理和MEMS技術，設計了一種低噪聲MEMS電容式加速度傳感器。該加速度傳感器包括一個敏感芯片和一個采用變送集成技術的信號調理電路。通過優(yōu)化敏感芯片的結構和低噪聲的信號調理電路相結合，制作出加速度傳感器。利用MEMS技術制作的微結構封裝的加速度傳感器經(jīng)過測試，驗證了該傳感器具有高靈敏度，高分辨率和低噪聲特點。

關鍵詞：低噪聲 差分電容 MEMS 加速度傳感器

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：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敏感結構的低噪聲加速度傳感器的可行性，并進行了相關的實驗測試。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，可以滿足航天航空系統(tǒng)對傳感器小型化的要求。

1 敏感芯片設計

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，敏感結構采用差動式電容結構 ，如圖1所示。與單邊活動的電容傳感器相比，它具有誤差范圍小、測量范圍寬等優(yōu)點。

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

芯片的彈性敏感元件為對稱的“四梁-慣性質量”結構，中間慣性質量對加速度具有敏感特性，將加速度信號轉換成慣性質量的位移量，慣性質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現(xiàn)加速度的測量。為消除電容可動極板各點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構，當四懸臂梁結構在慣性質量產(chǎn)生位移時，只有四個梁產(chǎn)生彎曲變形，慣性質量基本保持不變。為了進一步提高靈敏度采用一種折疊梁彈性結構，該結構的優(yōu)點是可以增大慣性質量的位移量，使電容可動極板產(chǎn)生的電容變化量增大，從而提高靈敏度，如圖2所示。

2 調理電路設計

選用電容式信號測量電路作為加速度傳感器的信號調理電路，該電路主要包括電荷放大器、移相器、相敏解調、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運算放大器，構成兩路電荷放大結構。兩路運算放大器的一致性和運算放大器周圍器件的一致性對檢測精度有很大影響。為增強兩路結構中運算放大器的一致性，同時減小電路板面積，實際電路中采用的是雙運放芯片來解決此問題。

3 加速度傳感器性能

利用MEMS技術設計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 結語

基于差分電容原理和MEMS技術設計、制作了一種低噪聲MEMS加速度傳感器。本論文很好解決了小型化加速度傳感器低噪聲、高靈敏微結構的問題。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。目前，傳感器的初步設計和實驗已經(jīng)完成。如何優(yōu)化傳感器性能和實現(xiàn)傳感器工程化應用是后續(xù)的工作。

參考文獻

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