【文章內(nèi)容簡介】 電容熱噪聲等，使加速度芯片在0g作用時的輸出電壓不為零，而且這個電壓與頻率的平方根成正比，這個比值即為加速度芯片的噪聲水平，也稱為噪聲密度。通常希望這個值越小越好。：指可以測量加速度的范圍,單位：g。量程的絕對值大于2g的加速度芯片就可以滿足地震檢測的要求，但不建議選擇量程過大的加速度芯片，因為量程越大靈敏度就越低。f．0g偏置：0g輸入時輸出的變化，單位：V。理想狀態(tài)下這個值等于0V，但是由于加速度芯片內(nèi)部敏感軸的方向會有一定的誤差，所以輸出一般不為0V。g．0g溫漂：溫度每變化1℃時0g輸出的變化值，單位：V/℃。 MEMS加速度芯片的種類MEMS加速度芯片的種類繁多，按照檢測機制不同分類，可分為電容式、半導體壓阻式、壓電式、隧道電流式和微型熱對流式MEMS加速度芯片[3]。（1）壓阻式加速度芯片利用具有壓阻效應的晶體在加速度作用下電阻率發(fā)生變化，從而引起電壓輸出。缺點是溫度效應嚴重，受環(huán)境影響大。（2）壓電式加速度芯片壓電式芯片是利用壓電效應制成的，當輸入加速度時，壓電晶體在敏感質(zhì)量形成的慣性作用下產(chǎn)生電荷，電荷放大輸出成比例的電壓?！?Hz開始，無法檢測超低頻地震信號。（3）熱對流式加速度芯片加速度的輸入引起氣體的熱對流，通過相應電路檢測熱敏元件的差值得到加速度的數(shù)值。缺點是頻帶范圍窄，靈敏度低。（4）隧道電流式加速度芯片利用真空壘勢中的電子隧道效應，加速度輸入時會引起隧道電極距離變化，從而產(chǎn)生隧道電流，通過測量這個電流可得到加速度的大小。缺點是對靜態(tài)加速度輸入不敏感。（5）電容式加速度芯片利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)間電容量的變化引起輸出電壓的變化，具有穩(wěn)定性好、靈敏度較高、低頻響應好、適用溫度范圍廣等優(yōu)點。特別是利用慣性力矩原理做成的扭擺式加速度芯片，還具有體積小、噪聲小、溫度漂移小等優(yōu)點，是本設計的理想選擇。從電容的變化方式來看，電容式加速度芯片有變間距式、變面積式和變介電常數(shù)式三種，由于變介電常數(shù)式加速度芯片在結(jié)構(gòu)上比較難以實現(xiàn)，所以這里只討論前兩種。電容式加速度芯片的電容為 （31）其中，ε為介電常數(shù)，S為極板正對面積，b、l分別為極板正對面積的寬和長，d0為極板間距（無加速度輸入時），可見S和d0的變化都能改變電容的大小[4]。對于變面積式，當極板平行移動距離為?l時，電容的變化量Δc為 （32） （33）對于變間距式，當極板間距改變量為Δd時，電容的變化量Δc為 （34） （35）對于式(35)，當Δdd0時可近似認為 （36）可見，式（32）和式（34）反映的是輸入與輸出的關系，而式（33）和式（35）反映的是靈敏度。變面積式結(jié)構(gòu)的輸出與輸入是線性關系，變間距式結(jié)構(gòu)在Δdd0時近似線性，因此從線性關系上說，變面積式結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的。但由于電容極板的寬度遠大于極板間距，在初始電容相同的情況下，變間距式結(jié)構(gòu)的電容變化量遠大于變面積式結(jié)構(gòu)，即變間距式靈敏度高于變面積式。由于低g加速度芯片的特性要求優(yōu)先考慮靈敏度，因此本課題選擇變間距式電容結(jié)構(gòu)。扭擺式加速度芯片是變間距電容式加速度芯片的一種，是利用慣性質(zhì)量片繞支承梁扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電容變化的MEMS加速度芯片。圖32為扭擺式加速度芯片的工作原理圖，（a）和（b）分別為扭擺機構(gòu)的俯視圖和側(cè)視剖面圖[3]。圖中敏感質(zhì)量片可以分為五部分，其中aa2部分成對出現(xiàn)，以支承梁為對稱軸均勻地分布在兩側(cè)，而a3部分僅在質(zhì)量片左側(cè)出現(xiàn)，造成質(zhì)量片位于支承扭梁兩邊的質(zhì)量和慣性矩不相等。因此當垂直于質(zhì)量片的加速度輸入時，質(zhì)量片將繞著支承梁扭轉(zhuǎn)。又由于質(zhì)量片的下方為玻璃基片，可以和質(zhì)量片a2的部分構(gòu)成電容器，質(zhì)量片的扭轉(zhuǎn)必然造成各部分電容量的變化，而且相應的對稱部分電容總是一側(cè)變大、另一側(cè)變小，從而形成差動電容，該電容可以通過電橋測量、交流放大和解調(diào)，產(chǎn)生與輸入加速度成正比的電壓。以上只是定性分析了扭擺式MEMS加速度芯片的工作原理，為了得到明確的輸入輸出關系，需要進行定量分析。圖32扭擺式MEMS加速度芯片的原理圖如圖32，設支承梁的長和寬分別為l和w，質(zhì)量片的厚度為h（即支承梁的厚度為h），質(zhì)量片的寬度為b，a1部分（力矩發(fā)生電極）、a2部分（檢測電極）、a3部分（偏心質(zhì)量）的寬度分別為aaa3，則質(zhì)量片的長度為tl=2a1+2a2+a3，那么慣性扭矩帶來的扭轉(zhuǎn)角為 （37）式中，Mt為慣性扭矩，（a為輸入加速度，m為敏感質(zhì)量片偏心質(zhì)量，ρ為材料密度）；In=βw3h為慣性矩（其中β是與h/w有關的參數(shù)）； 為剪切彈性模量（其中E為楊式彈性模量，μ為泊松比）。因此扭轉(zhuǎn)角又可表示為 （38） 可見，扭轉(zhuǎn)角的大小與加速度的大小是成正比的。此時，檢測電極的間隙變化為 （39）式中l(wèi)d為檢測電極中心到支承梁的距離。由式（36）可推得電容變化與加速度之間的關系為 （310） 其中d0為輸入加速度為0g時極板間距離。由式（310）可見，電容變化與加速度的大小也是正比的。如果檢測電路所能檢測的單邊最小電容變化為，那么電路所能檢測到的最小加速度為 （311）這就是加速度芯片的分辨率。（1）概述 通過對比，本設計最終選擇了SDI公司的高靈敏度、低噪聲加速度芯片1221x－002。如圖33，它采用20管腳的陶瓷片式無引線載體封裝（LCC），內(nèi)部由微機械電容敏感元件芯片和專用電路集成芯片組成。由于使用了密封封裝，所以對外界溫度變化不敏感，性能較穩(wěn)定[5]。 該芯片的主要技術(shù)指標為：靈敏度2000 mVg，帶寬0～400Hz，量程177。2g，噪聲密度，工作電壓5V，工作電流10mA，輸出阻抗90Ω，提供模擬電壓信號輸出（可差動輸出或單端輸出，）[5]。圖33 1221x002管腳圖 圖34 1221x002典型應用接線圖（2）芯片使用方法 a．芯片主要管腳說明 VDD和GND：芯片工作電源和地； AOP和AON：差動模擬電壓輸出（AOP為正、AON為負）； DV：測試電壓輸入端，可以模擬加速度輸入測試芯片性能； VR：內(nèi)部電壓參考端，一般用于提高測量精度； ：電壓參考端，為差動信號輸出提供基準電壓； b．芯片的典型接線與工作過程 如圖34，芯片的連接較為簡單，由＋5V電源給芯片供電，精密電源分壓得到＋。為了保證測量精度，VR端與電源正極相連。 當輸入加速度為零時，AOP和AON端輸出電壓都是＋。當有正向加速度輸入時，AOP端輸出信號變大，AON端輸出電壓減小，且滿足圖35的關系?？梢夾OP和AON輸出呈對稱關系，且采用差動輸出方式的輸出電壓比單端輸出（采用AOP或AON作為信號輸出端）電壓大一倍，即靈敏度要高一倍。圖35 1221x002芯片的輸入輸出關系（3）芯片性能的分