梳齿式结构电容式加速度传感器设计

周文萌

摘 要：选择梳齿式差分电容结构对电容式加速度传感器进行设计，阐述其优势和原理，并选用相匹配的传输电路，同时根据数据曲线对敏感质量块和挠性梁结构参数的选择提供参照。

关键词：电容式加速度传感器；梳齿式差分结构；MEMS

1 概述

作为传感器的一个重要分支，加速度传感器正在航空航天、汽车安全、工业装备等领域得到越来越多的应用。在智能产业领域，许多人使用的智能手机中就有加速度传感器的典型应用，机身内部的加速度计可以检测到手机使用状态从纵向到横向的转变，从而更改内容的显示方向，此外还有利用这点开发的滚球游戏等等。

加速度传感器是根据牛顿第二定律，通过测定敏感元件的变化量而转换输出加速度值的传感器，通常包括质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分。加速度传感器的主要指标有工作范围、频率响应、分辨率、满量程非线性度、漂移、横向灵敏度和抗冲击性等。其中，电容式加速度传感器是比较通用的加速度传感器，根据电容效应原理，利用质量块移动时与固定的电极间距离的改变来检测加速度的变化，具有分辨率高、动态范围大、温度特性好等优点。在此基础上将电容式加速度传感器设计为梳齿式结构，尽量提高其精度和测量范围。

2 方案原理

梳齿式电容加速度传感器，顾名思义，活动电极呈梳齿状，又称叉指式电容加速度传感器，是加速度传感器的一种典型结构。如图1，两侧是梁结构，中央质量块上伸出的长条为悬臂电极（可动电极），S1、S2为定齿。

上述结构中的可动部分包括惯性质量块、可动电极、梁结构，三者通过锚点固定在基底。上极板和下极板为固定电极，与基底相连。上下极板电极之间形成差分电容。用导线连接所有的上极板和下极板，可以把若干个小电容并联，从而利用整个梳齿结构产生大差分电容。

当工作时，外力产生的加速度a引起微小位移量x，转化为差动电容的变化量△C，电压信号经由差动电路进行输出，通过检测电路将信号放大，最后信号被解调得到输出电压。

3 电路设计

信号测送电路中中间电极分别与上、下电极形成电容C1、C2。当传感器受到加速度作用产生形变时，中间电极出现位移，从而C1、C2的值变化，形成差分电容。经梳齿结构放大后输出电压信号。可以通过运算得到，U1-U2=K（C1-C2），即最终得到的输出电压值与传感器电容之差成正比。

4 理论分析与参数计算

4.1 量程

加速度传感器的量程为：

由式可得，传感器最大量程αmax与电极对数nf成正比、与质量块的质量m和极板间隙d0成反比、与电极外加的偏置电压Vref成平方关系。当结构尺寸确定后，可通过增大偏置电压提高加速度传感器的量程。但Vref过大会导致正反馈越强，易导致系统的不稳定。另外，极板间隙不可能做得太小，所以增加最大量程的最佳方法是降低质量，例如可以通过在部分区域设置小孔以减小质量块的质量。

4.2 灵敏度

可得传感器的灵敏度与检测质量m和电极的敏感面积A成正比，与系统的刚度k、极板与检测质量块间的距离d0成反比。

4.3 加速度测量值

4.4 参数设置

在此设计中，传感器的性能主要取决于梁和质量块的结构，梁长一定时，质量块越大，传感器就会越灵敏。因而梁的参数选择会显著影响传感器的性能。

（1）质量块一定时，传感器的灵敏度与梁长成正比。（2）质量块一定时，传感器的灵敏度与梁宽成反比。（3）质量块一定时，传感器的灵敏度与梁厚成反比。

5 结果分析

5.1 动态分析

對拟定的传感器模型进行动态分析，假设外界加速度信号以简谐规律变化，通过查阅文献和ANSYS辅助软件进行模拟响应分析可得出传感器工作频率必须远离第一模态频率，以尽可能避免共振会造成的破坏。

5.2 静态分析

静力分析主要考虑既定的传感器尺寸对灵敏度、量程等的影响，同时要考虑传感器所能承受的静力载荷。一般来说，从灵敏度等性能指标的角度出发，梁宽梁厚等应尽可能选小，而考虑到实际工作时承受的载荷，取值又不能过低。设计时需要反复的更改设计参数进行模拟，从而找到参数选取的最佳平衡点。

5.3 优劣性

5.3.1 优点：（1）结构较简单；（2）灵敏度高；（3）可实现闭环控制，精度高；（4）制作工艺可与大规模集成电路的加工技术相互兼容。

5.3.2 缺点：（1）不能够适应高精度场合的需要；（2）器件结构材料用多晶硅，在其淀积过程中容易引入残余应力，在一定程度上影响到器件性能。

6 结束语

（1）加速度传感器的结构尺寸会大大影响其力学性能。具体可表现为：质量块最大位移量随梁长度增大而增大，随梁宽度和厚度增大而减小，其中梁厚造成的影响最明显，其次是梁宽，梁长的影响最弱。

（2）由动态分析可得传感器谐振频率与梁长成反比，与宽度和厚度成正比，但都呈非线性关系。

（3）在进行加速度传感器结构设计时，应首先通过理论分析确定大致的选值范围，初步选值后根据模拟结果修改参数并反复调试。

参考文献

[1]刘爱华，满宝元.传感器原理与应用技术（第2版）[M].人民邮电出版社，2010.

[2]肖鹏.基于MEMS技术的差分式电容加速度微传感器的研究和设计[D].西安：西安电子科技大学，2006.

[3]张丽霞，等.一种电容式传感器信号调理电路的设计[Z].威海：山东威海双丰电子集团有限公司，2007.