微机电系统加速度计

　　2．叉指式硅微加速度计

　　叉指式硅微型加速度计（Finger-shaped Micromachined Silicon Accelerometer，简称FMSA）最初是由美国AD公司和德国SIEMENS公司联合研制的。目前已形成系列产品，包括5 g、50 g单自由度和双自由度的产品。

　　叉指式硅微型加速度计的结构如图1所示。加速度计由中央叉指状活动极板与若干对固定极板组成。硅制活动极板通过一对支承梁弹簧与基座相连，支承梁能使活动极板（检测质量）敏感加速度而产生位移。活动极板上有若干对叉指，每个叉指对应一对固定极板，固定极板固定在基座上。当加速度计处于静止状态时，叉指正好处于一对固定极板的中央，即叉指和与其对应的两个固定极板的间距相等（为y₀），这时电容量C₁=C₂。当加速度计敏感加速度时，在惯性力作用下，活动极板产生位移，如图1（b）所示，这时，叉指和左右两固定极板的间距发生变化，即C₁≠C₂，产生的瞬时输出信号将正比于加速度的大小。运动方向则通过输出信号的相位反映出来。

　　设活动极板的线位移使某叉指两对极板的间隙分别变为Y₀ △y和Y₀－△y，此时单个电容量分别为略去高阶小量，其电容差值为

　　　　　（1）

　　式中，A₁为活动极板叉指与固定极板重叠部分的面积。

　　设加速度计有n组叉指，则总的电容差值为△C=n·△C₁=nk_s1△y=k_s△y。

　　系统的静态灵敏度为

（2）

　　式中，k为支承系统的弹簧刚度，m为活动极板质量；k_v为控制回路增益；k_F，为反馈力矩系数，．

（a）静止状态 　　　　　　　（b）活动状态

图1　叉指式硅微加速度计

　　叉指式硅微加速度计的控制系统框图如图2所示。

图2　FMSA控制系统框图

　　系统的固有频率可由下式近似求得：

（3）

　　式中，k为系统支承总刚度，m_s为支承弹簧的总质量。

　　ADXL50是AD公司开发的一个加速度计产品，主要用于汽车上的安全气囊。ADXL50是集成在一片单晶硅片上的完整的加速度测量系统。整个芯片约3 mm×3 mm，其中，加速度敏感元件部分边长为1 mm，信号处理电路则布于四周。加速度敏感元件是一个可变差动电容器，2μm厚的活动极板上伸出50个叉指，形成了电容器的活动极板。固定电容极板则由一系列悬臂梁组成，这些悬臂梁与基座问有lμm的间隙，悬壁梁的一端固连于基座上。整个活动极板通过支承梁固定，支承梁能保证活动极板沿敏感加速度的方向作线振动，而其他方向的运动都受到约束。支承梁同时作为一个弹簧，能将输入的加速度信号转换为位移信号，同时提供恢复力，使活动极板恢复到零点位置。支承梁可以是直梁或折叠梁。

图3　ADXL50测试线路

　　ADXL50的测试回路是一个闭环的力平衡反馈回路。其测量原理如图3所示。频率为1 MHz，相位相差1800的两个方波信号UA和UC分别施于固定电容极板Y和Z上，这样，当在静止状态时，活动极板的输出信号UB将为零。为使活动极板输出在±50g范围内都为正，需在固定电容极板Y和Z上分别施加偏置信号，分别为 3.4 V和 0.2 V。这样，在静止时，动极板输出信号应为 1.8 V0UB信号进入相敏解调器解调前需经过缓冲器放大，使可变电容器的高阻抗信号变为低阻抗信号。经过解调和低通滤波的信号再经前置放大器输出。将前置放大器输出信号u₀反馈给活动极板，该反馈电压将在活动极板和固定电极之间产生静电力，该静电力和由加速度引起的惯性力方向相反，并力图使活动极板恢复到中间位置，从而使U_B信号减弱为零。由于是一个高增益的伺服回路，深度负反馈将使活动极板偏离其中心位置的最大距离不超过0.01μm，此时，支承梁的弹性常数以及开环时的其他误差源均可忽略不计。加负反馈后，在没有加速度信号时，u₀=1.8 v，在满量程（±50g）时，△u=±1.0 V。