如何优化MEMS加速度计的性能？

MEMS加速度计是微机电系统领域研究最早的器件之一。早在1979年就开始了微机械压阻式MEMS 加速度计的研制,随后各种结构的压阻式MEMS加速度计相继出现。因其体积小、重量轻、成本低、启动快、可靠性好、易于集成、智能化的特点,加之在汽车气囊系统和悬挂控制方面对加速度计的需求,所以它的市场发展迅猛。

MEMS加速度计的结构一般都是一个悬挂在弹簧上的质量块(如图6.8所示)。不同MEMS加速度计的区别在于感知质量块相对位置的方式。一种常用的传感方法是电容式,质量块作为双极板电容器的一极。这种方法需要使用特殊的电路来检测微小电容变化(＜10-15 F),并将电容变化转换为放大后的输出电压。另一种常用的方法是使用压敏电阻感受弹簧内应力。弹簧由压电材料制成或包含压电薄膜,可以将弹簧形变量转换为与其成正比的电压值。本节主要介绍电容式和压阻式MEMS加速度计。

图6.8　加速度计的一般结构

MEMS加速度计的性能指标包括量程(G)、灵敏度(V/G)、分辨率(G)、带宽(Hz)、交叉轴灵敏度和抗冲击能力。量程和带宽因应用场景的不同而有很大差异。交叉轴灵敏度是指建立在MEMS加速度计输出量的变化与交叉加速度关系上的比例常数,交叉加速度是指MEMS加速度计中与输入基准轴相垂直的平面作用的加速度。

①压阻式MEMS加速度计

压阻式MEMS加速度计的工作原理是,根据牛顿第二定律来测量物体加速度,即物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比,与物体的质量成反比,即a=F/m。悬臂梁压阻式MEMS加速度计的结构简化图如图6.9所示。当加速度作用于悬臂梁自由端质量块时,悬臂梁受到弯矩作用产生的应力而发生变形,由于硅的压阻效应,各应变电阻的电阻率发生变化,电桥失去平衡,输出电压发生变化,通过测量输出电压的变化就可得到被测量的加速度值。

图6.9　悬臂梁压阻式MEMS加速度计的结构简化图(www.xing528.com)

图6.10所示为一种具体的单悬臂梁压阻式MEMS加速度计,整个加速度计由一块硅片(包括敏感质量块和悬臂梁)和两块玻璃键合而成,从而形成质量块的封闭腔,保护质量块并限制冲击和减震。通过扩散法在单悬梁臂上集成了压敏电阻(受力压敏电阻)。当质量块运动时,悬梁臂弯曲,压敏电阻的阻值随之变化。在悬梁臂的附近同样通过扩散法集成了压敏电阻(补偿压敏电阻),主要是为了补偿由温度引起的变化。在硅片上进行p+扩散是为了将其作为引线引出压敏电阻值,键合电极是为了能引出p+扩散硅上的信号。

整个加速度计的尺寸为2 mm×3 mm×0.6 mm,最低可测的加速度为0.001g(1g=9.8 m/s2),可植入体内测量心脏的加速度值。

图6.10　单悬臂梁压阻式MEMS加速度计的结构

②电容式MEMS加速度计

电容式MEMS加速度计的敏感元件为固定电极和可动电极之间的电容器,它是目前研究最多的一类MEMS加速度计,一般采用悬梁臂、固支梁或挠性轴结构,支撑一个当作电容器动版电极的质量块,质量块与一个固定极板构成一个平板电容。其工作原理是在外部加速度作用下,质量块产生位移,这样就会改变质量块和电极之间的电容,将电容变化量检测出来就可以得到测量的加速度大小。

图6.11为芬兰VTI技术公司的SCA 系列加速度计的结构图。该加速计的结构是玻璃-硅-玻璃的“三明治”结构,中间的硅片上嵌入弹簧和质量块。质量块作为可变电容器的内电极,两个外侧硅片作为电容器的固定电极,这样就构成差动电容(如图6.11 所示)。SCA 系列加速度计的可测量范围从±0.5g到±12g 不等(1g=9.8 m/s2),输出电压在0～5 V 范围内。对于这样的加速度计,额定带宽是400 Hz,横轴灵敏度小于输出的5%,抗冲击能力为20 kg。

图6.11　SCA 系列加速计的结构图