【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 00kHz 載波信號(hào)激勵(lì)，輸出的電壓經(jīng)過(guò)放大和相敏解調(diào)后作為反饋信號(hào)加給力矩器電容極板，產(chǎn)生靜電力，使得極板間的轉(zhuǎn)角回到零位附近。加在力矩 器電容極板上的平衡電壓和被測(cè)加速度成線性關(guān)系。 (3) 梳齒式電容加速度計(jì) 梳齒式 硅微 機(jī)械 加速 度計(jì) （ Fingershaped Micromachined Silicon Accelerometer，簡(jiǎn)寫(xiě)為 FMSA）因活動(dòng)電極形似梳齒而得名，又稱叉指式電容加速度計(jì)，是微加速度計(jì)的一種典型結(jié)構(gòu)。梳齒式微加速度計(jì)是梳齒式微加速度計(jì)具有靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、功耗比較低、直流特性好等特點(diǎn) ，但是容易受到電磁干擾。該類(lèi)型的加速度計(jì)可以通過(guò)把若干極板面積較小的電容并連起來(lái)形成相對(duì)較大的電容以提高分辨率，而且可以 制作反饋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，利于精度的提高。此外，此類(lèi)型微加速度計(jì)的制作方法基本上與大規(guī)模集成電路的工藝技術(shù)相互兼容。綜上便利條件，目前梳齒式微加速度計(jì) 研究較多并已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用。 電容式加速度傳感器設(shè)計(jì)方法選擇與優(yōu)化 一種 梳齒式微加速度計(jì)的活動(dòng)敏感質(zhì)量元件 是 一個(gè) 為 H 形的雙側(cè)數(shù)尺結(jié)構(gòu)，相對(duì)于固定活動(dòng)敏感質(zhì)量元件的基片懸空并與基片平行，與兩端撓性梁結(jié)構(gòu)相連，并通過(guò)立柱固定于基片上。每個(gè)梳齒由中央質(zhì)量桿（齒樞）向其兩側(cè)伸出可以運(yùn)動(dòng)，稱為動(dòng)齒（動(dòng)指），構(gòu)成可變電容的一個(gè)活動(dòng)電極，直接固定在基片上的為定齒（定指），構(gòu)成可變電容的一個(gè)固定電極，定齒動(dòng)齒交錯(cuò)配置形成差動(dòng)電容。利用數(shù)尺結(jié)構(gòu)，主要是為了增大了重疊部分的面積，獲得更大的電容。 按照定齒的配置可分為定齒均勻配置梳齒電容加速度計(jì)和定齒偏置結(jié)構(gòu)的梳齒電容加速度計(jì)；而按照加工方式的不同又可分為表面加工梳齒電容加速度計(jì)和體硅加工梳齒電容加速度計(jì)；再者可按照控制方式的不同分為開(kāi)環(huán)控制加速度計(jì)和閉環(huán)控制加速度計(jì)。下面結(jié)合上述一些分類(lèi)及特點(diǎn)，利用實(shí)例做一些典型分析。 表面加工 和體硅加工 定齒均勻配置梳齒式電容加速度傳感器 表面加工定齒 均配置梳齒式電容加速度計(jì)的典型結(jié)構(gòu)如圖 所示，每組定齒由∏型齒和兩個(gè) L 型齒組合而成，每個(gè)動(dòng)齒與一個(gè) ∏型定齒和一個(gè) L 型定齒交 13 錯(cuò)等距離配置形成差動(dòng)結(jié)構(gòu)。該方案的主要優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省管芯版面尺寸， 這對(duì)于表面加工的微機(jī)械傳感器是適當(dāng)?shù)?。但由于表面加工得到?梳齒式結(jié)構(gòu)測(cè)量電容偏小，影響了梳齒式微機(jī)械傳感器分辨率和精度的進(jìn)一步提高。為了提高微機(jī)械傳感器的分辨率和精度，一般采用體硅加工方法加工得到定齒偏置結(jié)構(gòu)的梳齒電容加速度計(jì)。 圖 表面加工定齒均勻配置梳齒式電容加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖 體硅 加工定齒偏置結(jié)構(gòu)梳齒式微機(jī)械 電容加速度計(jì) 定齒偏置配置梳齒式電容加速度計(jì)的典型結(jié)構(gòu)如圖 所示、與表面加工的定齒均置的結(jié)構(gòu)有所不同，定齒為單側(cè)梳齒式結(jié)構(gòu)；以敏感質(zhì)量的縱向?qū)ΨQ軸為界，左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱。 上下相對(duì)的定齒是電連通的，左側(cè)定齒的電極性與右側(cè)定齒的電極性相反。敏感質(zhì)量元件的每一個(gè)動(dòng)齒與相鄰的兩個(gè)定齒的每個(gè)梳齒交錯(cuò)配置，整個(gè)結(jié)構(gòu)形成以梳齒為中點(diǎn)左右對(duì)稱，總體形成差動(dòng)電容。每一個(gè)動(dòng)齒與兩 側(cè)相鄰的定齒之間的間距分別為 0d 和 0D ， 0D 和 0d 比值大于 5： 1 以上，主要敏感距離小的一側(cè)形成的電容量，可忽略距離大的一側(cè)的電容量。形成的電容共分為兩組：差動(dòng)檢測(cè)電容和差動(dòng)加力電容。 圖 定齒偏置配置梳齒式電容加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖 14 兩側(cè)的∏形定齒 1S 、 2S 為左右對(duì)稱的檢測(cè)齒，構(gòu)成檢測(cè)電極，分別與動(dòng)齒形成 2sn 對(duì)差動(dòng)檢測(cè)電容，如圖 所示。 L 型定齒 1F 、 2F 為左右對(duì)稱的加力齒，構(gòu)成加力電極，與動(dòng)齒形成 2fn對(duì)差動(dòng)加力電容。所有動(dòng)齒定齒共同等效為 1 對(duì)差動(dòng)檢測(cè)電容 1sC 與 2sC 和一對(duì)差動(dòng)加力電容 1fC 與 2fC 。 圖 差動(dòng)電容簡(jiǎn)化示意圖 體硅加工定齒偏置結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn) 由上述敘述，綜合起來(lái)考慮，定齒偏置結(jié)構(gòu)在版面利用和加工工藝上有很多長(zhǎng)處，明顯優(yōu)于定齒均置結(jié)構(gòu)。下面表 是兩種結(jié)構(gòu)的比較。 表 定齒均置與偏置結(jié)構(gòu)的比較 定齒均置結(jié)構(gòu) 定齒偏置結(jié)構(gòu) 橫向尺寸 大 較小 敏感軸方向尺寸 較小 較大 鍵合 鍵合塊越多，鍵合難度大 鍵合塊少，單塊鍵合面積大，大大降低了鍵合難度，鍵合接觸電阻小而均勻 加工 較難 較易 分辨率 較小 較大 精度 較小 較大 綜合性能 一般 較好 15 電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)梁的設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)梁在微機(jī)械加速度計(jì) 的設(shè)計(jì)中是十分關(guān)鍵的一個(gè)部分，其參數(shù)與儀表的分辨率、量程、橫向靈敏度等指標(biāo)均有密切關(guān)系，稱為微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。微機(jī)械電容式加速度計(jì)常用的梁結(jié)構(gòu)主要有懸臂梁、雙端固定梁、 L 形梁、魚(yú)鉤梁、蛇形梁及斜置梁等。 各式微結(jié)構(gòu)梁 采取何種形式的梁以及多大尺寸的梁，是需要進(jìn)行優(yōu)化選擇和設(shè)計(jì)的。其設(shè)計(jì)首先要在達(dá)到目標(biāo)剛度的前提下，應(yīng)使梁的長(zhǎng)度最小，厚度最大，從而具有較高 的強(qiáng)度； 第二要滿足同向性原則，即需要結(jié)構(gòu)梁在敏感方向具有較軟的剛度，而除了敏感方向外其它方向上的剛度最大，交叉了靈敏度要盡量減小，從而具有較強(qiáng)的抗干擾能力，減小其它方向?qū)γ舾行盘?hào)的干擾。最后，需要二階及二階以上模態(tài)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于檢測(cè)模態(tài)的頻率值。常見(jiàn)微結(jié)構(gòu)梁的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。 圖 常見(jiàn)類(lèi)型的粱結(jié)構(gòu) m m m m m m m m 16 圖中自左向右、從上到下分別是（ a）懸臂梁、（ b）雙端固支梁、（ c）折疊梁、（ d） L 型梁 （ e） L 型梁 （ f）魚(yú)鉤梁、（ g）蛇形梁、（ h） 斜置梁。 當(dāng)各種微結(jié)構(gòu)梁參數(shù)基本相同的情況下，比較幾種微梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮強(qiáng)度和制造工藝等條件，我們可以得出各種梁結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)。具體見(jiàn)表 。 表 常見(jiàn)微結(jié)構(gòu)梁性能特點(diǎn)比較 類(lèi)型 檢測(cè)模態(tài)剛度 交叉耦合 有無(wú)應(yīng)力釋放作用 主要特點(diǎn) 工藝要求 懸臂梁 小 小 有 剛度小 雙面光刻 雙端固定梁 較大 小 無(wú) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 無(wú) L梁 1 較大 大 有 節(jié)省面積 無(wú) L梁 2 較大 較大 有 介于折疊梁和雙端固定梁之間 無(wú) 魚(yú)鉤梁 小 大 有 前兩階模態(tài)剛度較小 無(wú) 蛇形梁 小 大 有 梁軟，振幅大 無(wú) 斜置梁 較大 大 無(wú) 前兩階模態(tài)頻率相差較小，不受加工誤差影響 無(wú) 折疊梁 較小 較小 有 綜合性能較好 無(wú) 通過(guò)比較我們看出，折疊梁的綜合性能較好。折疊梁還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自身具有應(yīng)力釋放作用，能抵抗加工過(guò)程及其它熱變化引起的膨脹變形，剛度、模態(tài)頻率易調(diào)節(jié)等很多優(yōu)點(diǎn)。并且另外一個(gè)原因是折疊梁結(jié)構(gòu)在很大的變形范圍內(nèi)，位移與作用力都保持線性關(guān)系 。 當(dāng)折疊梁內(nèi)外兩臂長(zhǎng)不同時(shí)，在應(yīng)力作用下梁易彎曲。在保證梁剛度不變的情況下，把兩臂不等長(zhǎng)的折疊梁變?yōu)榈缺坶L(zhǎng)的折疊梁，可以減小整個(gè)折疊梁尺寸。 折疊梁剛度計(jì)算 在比較選擇了折疊梁作為設(shè)計(jì)選取方案，我們有必要對(duì)梁的剛度有一定的認(rèn)識(shí)。我們不妨用折疊梁和雙端固定梁作比 ，進(jìn)一步定量的分析我們選擇折疊梁的好處。 （ 1） 雙端固定梁剛度的計(jì)算 17 雙端固定梁的微結(jié)構(gòu)示意圖在前文已表述。由對(duì)稱性可知，只需要分析一側(cè)的梁就可以了。圖 即為敏感質(zhì)量一側(cè)梁的受力分析示意圖。設(shè) AB 梁長(zhǎng)為 2l ，寬為 b ，厚為 h ，中心點(diǎn) C 受力為 P 。由于梁 AB 受力情況關(guān)于 C 點(diǎn)對(duì)稱，所以之需要分析 AC 就可以了， AC 段的受力分析如圖 所示。 圖 雙端固定梁的一側(cè)受力示意圖 圖 AC段受力分析和相應(yīng)力矩圖 由力學(xué)知識(shí)可以解得， AC 段梁各截面的彎矩與沿 X 軸方向的變形為： 2231( ) ,211( ) ( )41 1 1( ) ( )2 12AAAM X M P XX M X P XEJX M X P XEJ???????? (22) 其中， J — 對(duì) Z 軸的慣性矩： 3 /12J b h? 由邊界條件及點(diǎn)變形條件 (0) 0, 0C????解得： 21 1 1( 0 ) ( ) 0 , ,44AAM l P l ME J P l? ? ? ? ? 1124CAM M P l P l? ? ? ? 18 2 3 31 1 1 1( ) ( )2 1 2 2 4AX M X P X P XE J E J? ? ? ? (23) 即 C點(diǎn)位移為： 31()24PlX EJ EJ? ?? (24） 所以雙端固支梁（單側(cè)） Y 方向的剛度為：324EJk l? (25) 由于結(jié)構(gòu)對(duì) 稱，雙端固支梁相當(dāng)于兩個(gè)單側(cè) Y 方向 的剛度的并聯(lián)，由此可以求得檢測(cè)方向（ Y 方向）的等效剛度為： 3482Y EJKk l?? (26) (2) 折疊梁檢測(cè)方向的剛度 采用等臂長(zhǎng)的折疊梁結(jié)構(gòu)，敏感質(zhì)量?jī)啥烁饔沙叽绱笮∫粯拥恼郫B梁支撐，取其中一端，受力分析如圖 所示。 圖 （ a）（ b）分別是 等臂長(zhǎng)的折疊梁結(jié)構(gòu)和受力分析示意圖 采用等臂長(zhǎng)的折疊梁結(jié)構(gòu)，敏感質(zhì)量?jī)啥烁饔沙叽绱笮∫粯拥恼郫B梁支撐，取其中一端，受力分析見(jiàn)圖 。設(shè)梁長(zhǎng) 39。 39。 39。 39。,AB C D l A B C D l? ? ? ?寬為 b ，厚為 h 。折疊部分 39。AA 和 39。DD 影響。由式（ 26）可知，雙 端固支梁 AD 和 39。39。AD 的剛度為： (27) 此時(shí)，折疊梁相當(dāng)于兩個(gè)雙端固定直梁 AD 和 39。39。AD 的串聯(lián)。所以折疊梁檢測(cè)方向（ Y 方向）的剛度為： （ 28） 39。39。39。39。333 3 31 2 1 2 12AD ADY AD ADkk E J E b h E b hK k k l l l?? ? ? ? ??39。39。 324AD AD EJkk l?? 19 由圖 可以看出， 該加速度計(jì)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩個(gè)折疊梁的并聯(lián)，所以可以求得折疊梁 Y 方向的等效總剛度為： （ 29） 由此可見(jiàn)，相同情況下，折疊梁與雙端固支梁在檢測(cè)方向的剛度之比為 1：2 。所以折疊梁性能優(yōu)于雙端固支梁。 通過(guò)上述分析，電容式加 速度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選取 體硅加工工藝，選擇折疊梁作為承載梁，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，設(shè)計(jì)出定齒偏置加速度計(jì)。 3332 4 2mYE J E b hkKll? ? ? 20 3 加速度計(jì)主要失效模式和失效機(jī)理 在了解了關(guān)于加速度計(jì)的相關(guān)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)知識(shí)，結(jié)合實(shí)際制造工藝和實(shí)現(xiàn)可能性，我們有必要對(duì) 加速度計(jì)的一些失效模式和相應(yīng)的實(shí)效機(jī)理做一些必要理解。 表面粘附 表面粘附是造成加速度計(jì)實(shí)效的主要模式，表現(xiàn)為加速度計(jì) 輸出飽和，打開(kāi)表頭發(fā)現(xiàn)梳齒發(fā)生表面相接觸，而造成短路。示意圖如 ， 下面分析實(shí)效原因。 圖 加速度計(jì)管芯發(fā)生粘附 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷 有資料表明，在所有可靠性工程中，由設(shè)計(jì)造成的失效占到總數(shù)的 60%以上，MEMS 加速度計(jì)也存在 這樣的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷包括止擋設(shè)計(jì)缺陷、梁的設(shè)計(jì)缺陷、齒的設(shè)計(jì)缺陷等。這是由于止擋結(jié)構(gòu)是加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)保護(hù)裝置，它可以阻止加速度計(jì)結(jié)構(gòu)在外界輸入超過(guò)量程加速度或大的沖擊時(shí)發(fā)生粘附，而梁式可動(dòng)的硅結(jié)構(gòu)，又可作為可動(dòng)硅結(jié)構(gòu)的承載結(jié)構(gòu)，它不僅決定加速度計(jì)量程的大小 ，還影響到加速度計(jì)分辨率的高低，同時(shí)在設(shè)計(jì)所允許量程內(nèi)有一定得冗余才能有效避免粘附而造成加速度計(jì)的整體失效。加速度計(jì)齒是加速度計(jì)的 加力和檢測(cè)部件，通過(guò)改變兩組構(gòu)成平板電容的間距或改變兩組相同梳齒結(jié)構(gòu)中齒的交疊面積而改變電容大小，同時(shí)在動(dòng)齒和靜齒之間有一定的偏置電壓來(lái)檢測(cè)電容的改變，當(dāng)環(huán)境應(yīng)力影響時(shí)，在靜電力的作用下極易發(fā)生粘附，導(dǎo)致加速度計(jì)失效。 機(jī)械沖擊、振動(dòng) 由于加速度計(jì)的響應(yīng)帶寬約為 300Hz 到 1kHz，在加速度計(jì)工作時(shí)受到機(jī)械沖擊或機(jī)械振動(dòng)時(shí)，當(dāng)沖擊的頻率和幅度超過(guò)加速度計(jì)的響應(yīng)帶寬時(shí)容易發(fā)生粘 21 附失效。 水汽、潮熱 加速度計(jì)在水汽含量大的工作環(huán)境下工作會(huì)明顯引起分布電容、電阻阻值等電路 參 數(shù)的變化，造成粘附，如果水汽長(zhǎng)期腐蝕電路板，易造成電路短路、 斷路。 靜電 靜電是對(duì)加速度計(jì)結(jié)構(gòu)和電路的