加速度传感器

1.概述

微加速度计是指加速度传感器与微电子机械系统相结合的一种用于测量加速度变化量的装置。它通过检测设备在加速度场的作用下产生电容、电阻、电流信号的变化来检测它所嵌入设备的加速度。相比于普通的加速度传感器，MEMS加速度计具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好的优点。

硅微加速度传感器是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机电传感器。其主要类型有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式等。其中最具有吸引力的是力平衡加速度计，其典型产品是Kuehnel等人在1994年报道的AGXL50型，其结构包括4个部分：质量块、检测电容、力平衡执行器和信号处理电路，集成制作在3mm×3mm的硅片上。其中机械部分采用表面微机械工艺制作，电路部分采用Bi CMOSIC技术制作。这种传感器在汽车的防撞气袋控制等领域有广泛的应用。

国内在微加速度传感器的研制方面也做了大量的工作，如西安电子科技大学研制的压阻式微加速度传感器和清华大学微电子所开发的谐振式微加速度传感器。后者采用电阻热激励、压阻电桥检测的方式，其敏感结构为高度对称的4角支撑质量块形式，在质量块4边与支撑框架之间制作了4个谐振梁用于信号检测。

2.电容式微加速度计

MEMS电容式微加速度计的动力学模型示意图如图6－23所示。没有加速度时，小质量块静止；当有加速度时，小质量块就会跟着运动起来，对加速度很敏感。所以根据牛顿第二定律得：

式中 k——弹性系数；

f——阻尼系数；

m——振动块质量，mm；

x——可动极板的位移，mm；

a——加速度，m／s2。

经拉普拉斯变换得系统函数为：

将固有频率ωn＝（k／m）1／2，品质因子Q＝ωnm／f，阻尼因子ζ＝0.5／Q代入式（6－7），且当ω≪ωn时，下式成立：

由此可知：当待测加速度信号a的频率ω≪ωn时，质量块位移x与加速度a近似呈线性关系。

图6－23 微加速度计动力学模型示意图

MEMS电容式微加速度计测量电路的作用是把质量块的位移x转化成电容变化信号ΔC，然后通过对电容变化信号ΔC的检测来实现对微加速度计加速度信号a的测量。为了防止寄生电容的影响，实际应用中采用串联而成的两个电容敏感单元组成，如图6－24所示，这样得到的差分电容信号为2ΔC。

由分析可知，当可动极板处于上下固定极板中间时，两个敏感电容的变化量为：

Cx1＝Cx2＝C0＝εS／x0

式中 S——极板的有效面积，mm2；

x0——中间位置的间距，mm；

ε——介电常数。

图6－24 电容式微加速度计原理示意图

当极板发生运动时，x1＝x0－x，x2＝x＋x0。

因为x≪x0，可以得到：

则总的差分电容为：

则电容变化量为：

由此可见，当x≪x0时，电容变化量与位移x成正比，ΔC∝x。又由动力学模型分析得知，当待测加速度信号a的频率ω≪ωn（微加速度计的固有频率）时，位移x与加速度a成正比，由此可知通过测量电容变化就能测量加速度a。

电容式加速度传感器具有温度效应小，灵敏度相对较高 （可达0.01mg），加工工艺不复杂等优点，也是目前应用很广泛的一种加速度传感器。缺点在于：需要测量小电容，因而测试方法复杂。同时，由于分布电容和电磁干扰的影响，测试精确度不高。改进的方法是：在传感器与测试电路之间加入前置电路以去除干扰。

3.压阻式微加速度计

压阻式微加速度计主要利用压电效应产生电阻值的变化来测量加速度。它的基本结构由悬臂梁和质量块以及布置在横梁上的压阻组成。其工作原理是：在加速度场中，悬臂梁在质量块惯性力的牵引下发生形变。由于压阻布置在悬臂梁的固定端，所以压阻膜也随之发生变形。由于压阻膜形变可以转化成压阻值的变化，所以在压阻两端可以检测到电压值的变化。然后通过确定的数学模型推导出输入加速度与输出电压之间的关系。压阻式微加速度计如图6－25所示。

图6－25 压阻式微加速度计

经过多年的研究和开发，关于压阻式加速度传感器的设计已经形成了一套比较成熟的理论体系。它具有加工工艺简单，测量方法易行，线性度好等优点，已经于20世纪80年代末得到广泛应用。但是，压阻式加速度传感器有两个严重的缺点：温度效应严重；灵敏度较低。通过温度控制电路可以对温度效应进行补偿，但在提高灵敏度方面难度很大。

4.静电力平衡式MEMS加速度计

压阻式或电容式微机械加速度计均是开环工作方式。当沿输入轴的加速度使检测质量产生偏转时，还将感应沿交叉轴的加速度，从而引起交叉耦合误差，影响加速度计的测量精度。采用闭环工作方式可以克服这一不足。静电力平衡式MEMS加速度计即属于此种类型。它利用力平衡回路产生的静电力 （或力矩）来平衡加速度引起的作用在检测质量上的惯性力 （或力矩）。施加在用以产生静电力 （或力矩）电极上的控制电压，可作为输入加速度的量度。其基本结构与上述差动电容式相同，但增加了一个静电力平衡回路。图6－26为静电平衡式加速度计的原理结构图。

每个电极静电吸引力的大小都与所施加电场强度的平方成正比。由于静电力平衡回路具有足够高的增益，检测质量的偏角极小，即极板的间隙变化极小时，静电力矩便平衡了惯性力矩，故可以近似认为每个电极静电吸引力矩均与所施加电压的平方成正比。据此得到静电力矩的大小为：

图6－26 静电平衡式加速度计原理结构图

式中 k——系数，它取决于介电常数、电极的几何形状及极板的初始间隙；

U1——电极1的电压，V；

U2——电极2的电压，V。

U1＝U0＋ΔU（6－14）

U2＝U0－ΔU（6－15）

将式 （6－14）和式 （6－15）带入式 （6－13）中，可得：

Me＝4k U0ΔU（6－16）

静电力矩的方向恰与惯性力矩的方向相反，它具有恢复力矩的性质。当静电力平衡回路到达稳态时，有：

Me＝Ma（6－17）

式中 Ma——惯性力矩，Ma＝mla。其中m为板的质量，l为惯性力的力臂，a为加速度。

于是得到：

ΔU＝mla／（4k U0）（6－18）

这表明，如果把控制电压ΔU作为输出，则该输出电压与输入加速度a成正比。

5.微型隧道式加速度传感器

隧道效应是指：一个纳米尺度的极细探针与另一个导电的检测表面形成两个电极，当两极非常接近时 （通常为1nm），电子穿过两极之间的空隙形成隧道电流。当空隙增大时，电流以指数函数衰减。空隙每增大0.1nm，电流减小一个数量级，灵敏度极高。

图6－27 微型隧道式加速度传感器的组成

微型隧道式加速度传感器采用质量块－悬臂梁结构。质量块上有一个极细的探针，和检测电极构成导电隧道。隧道电流的大小与质量块偏移有关，从而可检测出加速度。也可采用静电力平衡方式，使质量块和探针不动，由电压变化来测量加速度。这类微加速度传感器灵敏度很高。图6－27为微型隧道式加速度传感器的组成图。

6.石英振梁式MEMS加速度计

在石英振梁式MEMS加速度计中，利用石英振梁或者称谐振器作为力的检测元件。石英振梁是在晶片上采用光刻工艺加工而成。长而薄的石英晶体以一定的频率振动，其谐振频率取决于它的几何形状和物理特性。如果晶体不受力时以某一谐振频率振动，则在受拉力作用时频率将增大，受压力作用时频率将减小。当有加速度输入时，加速度计中检测质量的惯性力将作用在谐振器上，使谐振频率上升或下降。图6－28为石英振梁式MEMS加速度计原理图。

石英振梁式MEMS加速度计可获得较高的测量精度。它有单振梁和双振梁两种结构形式。为了改善加速度计的偏置稳定性和信噪比，通常采用双振梁即双谐振器结构形式。

图6－28 石英振梁式MEMS加速度计原理图

石英振梁式MEMS加速度计的工作原理是：假定无加速度输入时，两个谐振器的谐振频率相等，均为f0。当有加速度输入时，检测质量的惯性力使其中一个谐振器受拉力作用，并使另一个谐振器受压力作用。于是，前者的谐振频率上升，从f0增到f1；后者的谐振频率下降，从f0减至f2。两个谐振器的频率之差（f2－f1）与输入加速度a成正比。

从这种加速度计可以直接获得导航系统所需要的速度增量。速度增量的计算公式为：

Δv＝K（N1－N2）（6－19）

式中 K——速度系数；

N1，N2——分别是一个采样周期T内两个谐振器输出累积的计数，可由下式计算：

因此速度增量公式可以写成：

Δv＝KT（f1－f2）（6－22）

即可得到加速度。

7.微加速度计产品

图6－29为几种微加速度计产品。（a）图为Bosch的三轴MEMS加速度计，（b）图为VTI单轴模拟输出加速度传感器，（c）图为中国电子科技集团公司第十三研究所研制的MSA009系列加速度传感器。

图6－29 微加速度计产品