扭摆式MEMS电容加速度计动态性能分析

齐志华,张志勇

（中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051)

1 引言

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）传感器具有体积小、集成度高、成本低、性能优异、稳定性好、可靠性高等优点，被广泛应用于航空航天、汽车导航、消费电子、工业控制等诸多领域[1]。常见的MEMS 传感器包括加速度计、麦克风、压力传感器、陀螺仪、微马达等类型，其中MEMS 加速度计是最典型和成功的应用之一。MEMS 加速度计根据不同的工作原理可以分为电容式、压阻式、压电式、谐振式和伺服式等类型，其中MEMS 电容式加速度计的结构原理简单，加工工艺与IC 集成电路加工工艺兼容，集成度高，易于实现批量生产，成为应用最广泛的加速度计传感器之一。

系统的动态性能是衡量加速度计性能的重要指标，而系统阻尼是影响动态性能的主要参数，如何准确分析加速度计的阻尼特性和动态性能，成为加速度计设计的难点。Langlois、Bao、Pan 和Li 等[2-7]对扭摆式微平板谐振器的阻尼特性进行了分析，研究成果显著。本研究是在已有研究的基础上，针对扭摆式MEMS 电容加速度计，对其系统的阻尼特性和动态性能进行进一步研究和分析。

2 工作原理

扭摆式MEMS 电容加速度计主要由MEMS 敏感结构和ASIC 电路组成。当系统接收到加速度输入时，受惯性力矩的作用，敏感结构将产生一定的转动位移。转动位移的变化被转换为电容的变化量。ASIC 电路通过检测和处理电容变化信号，最终得到能表征加速度信号大小的输出信号，实现加速度信号的检测。扭摆式MEMS 电容加速度计可以等效为转动惯量-扭簧-阻尼系统，如图1 所示。……