当前课程知识点：MEMS与微系统 > 第四章 微型传感器Ⅲ—惯性传感器 > 第2小节 压阻式与电容式加速度传感器 > 压阻式与电容式加速度传感器
下面我们来看压阻式的加速度传感器
压阻式的加速度传感器是
加速度传感器早期的一个结构形式
目前仍旧广泛的使用
这幅图给大家看到的是
一个典型的压阻式加速度传感器的结构
它包括了一个较大的质量块
一个支撑它的弹性梁
以及在弹性梁根部所注入的压阻
这里边我们用红色的一块区域来表示
当惯性力使质量块产生位移的时候
质量块带动了弹性梁发生弯曲
弯曲导致压阻的大小发生了改变
因此 我们通过后续的电路
比如说惠斯通电桥
就可以测量出压阻变化的大小
进而反算出加速度的大小
压阻式加速度传感器的优点是
它的设计和制造都比较简单
并且它可以通过一些合理的限位结构
能够获得很强的扩冲击能力
同时它的输出是比较线性的
也就是输出电压的大小
与加速度大小是呈正比的关系
但是它有一些比较明显的缺点
首先是它的灵敏度比较低
也就是每单位加速度的输入
所导致的电压输出比较小
第二是它的温度系数比较大
长期稳定性也比较差
这是与压阻的特性有关的
因此 需要通过调整压阻
来适当的优化传感器的性能
由于温度系数比较大
我们在实际使用的过程中
对于一些高精度的应用都需要进行温度补偿
那么温度补偿的方法各异
但是大体上有两类
一类是采用温度传感器
对压阻的温度系数进行测量
在使用的过程中通过数据处理进行修正
第二类是采用恒温的办法
也就是无论外界温度的高低
始终把压阻加热
或者降温到一个稳定的温度上
那么这样的一个体系可以简化补偿的过程
但是无疑会增大整个系统的功耗
对于压阻式的传感器它的噪声包括两部分
一部分是机械结构本身的热力学噪声
第二部分是压阻器件的噪声
机械结构的热力学噪声就是
我们前面提到的布朗热运动所产生的噪声
压阻的噪声又可以分为
1/f噪声和Johnson噪声
那么每种噪声具有不同的特性
也有不同的频率分布特点
在实际的设计和使用中需要针对压阻的大小
以及所输出的频段进行具体的分析和优化
通过对噪声的抑制
可以提高整个传感器的性能水平
下面给大家介绍一下
平板式电容加速度传感器
所谓平板式的电容加速度传感器是指
质量块构成了一个平板电极的一极
那么当质量块在上下运动的过程中
与另一极之间的电极间距发生了改变
通过测量电容变化的大小
实现对加速度的测量
这样的传感器具有以下的优点
首先平板电容可以实现比较大的质量块
也就是平板电容质量块的面积比较大
可以达到毫克的水平
由于面积大 电容间距小
我们能够获得一个比较大的一个静态电容
那么这对电容的测量有一些帮助
那么较大的电容可以简化测量过程
整个测量过程
是通过惯性力改变了极板间距来实现的
由于电容比较大 质量块也比较大
热噪声比较低
因此它的分辨率
可以做到一个微重力加速度左右
这是
目前高性能加速度传感器的一个典型水平
这幅图给大家看到是
VTI所做的一个非常典型的电容式的
加速度传感器
它由三层结构组成
上层是一层硅片
下层一层硅片
中间一层硅片
那么中间这一层的硅片上
通过刻蚀制造了一个比较大的质量块
和支撑质量块的两个弹性梁
质量块的上表面
与上层硅片的下表面之间构成一个电容
质量块的下表面
与下层硅片的上表面之间构成了一个电容
当加速度使质量块上下摆动的时候
它会使一个电容增加
另一个电容减小
通过差分的办法进行输出
可以通过测量电容来获得加速度的大小
平板电容加速度传感器
它的典型特点是噪声比较低
精度也比较高
但是由于它可动的范围很小
所以它的动态范围也比较小
另外制造成本相对也比较高
我们来看这幅图是
这个加速度传感器制造过程
它采用了双面氢氧化钾刻蚀的办法
并且在刻蚀的过程中
由于需要将质量块周围切断
所以在刻蚀的时候
质量块周围需要刻蚀的深度
要比弹性梁所对应位置刻蚀的深度更大
那么在刻蚀过程中
还采用了两步差值的刻蚀方法
也就是先采用一步掩膜
将弹性梁与质量块周围切空的这一个区域
之间的高度差先刻蚀下去
然后去掉掩膜
进行第二次掩膜以后
再统一也就是整体地向下刻蚀
这样原来存在的高度差就一直存在着
当梁刻蚀到一定厚度的时候
质量块周围已经被刻蚀穿透了
平板电容加速度传感器
最适合测量垂直轴方向的加速度
因为它的质量块和制造的支撑结构
刚好符合这样的一个特点
但是 也可以采用平板电容加速度传感器
来测量平面
也就是x或者是y方向的加速度传感器
那么这样的一个测量
通常采用的是改变极板重叠面积的方法
也就是说电容的两个极板
并不是改变间距的大小
而是改变重叠面积
那么重叠面积的方向
刚好是x或者是y方向的运动
我们来看
这是惠普实验室所开发的一个地震波传感器
它采用了极板的水平方向移动
所改变重叠面积进而获得电容变化
由于 仍旧是平板的电容结构
它的质量块大小可以做的比较大
因此热噪声很低
也可以把响应频段做的比较低
特别适合去测量地震波
比如说惠普实验室
现在开发有80毫重力加速度
和320毫重力加速度
那么它的噪声小于100个纳重力加速度
这比一般的电容传感器的噪声
都小1到3个数量级
从器件的上表面照片我们可以看出来
整个系统对于水平方向的运动
它的刚度是非常低的
所以它有助于实现
对水平方向的高灵敏度测量
除了平板式电容比较常见的结构以外
电容式的加速度传感器
另外一种常见的结构形式是叉指式的
那么如果把一组叉指固定在衬底上
另一组叉指与质量块连接
那么当质量块运动的时候
可动叉指与固定叉指之间的重叠面积
就发生了改变
我们也可以通过测量电容的变化
来实现对加速度的测量
像这幅图
给大家看到的中间的一个质量块
上下各连接着两对可动的叉指
那么可动的叉指与固定在衬底上的
另一组静止叉指之间形成叉指电容
当质量块在加速度作用下左右摆动的时候
固定叉指与可动叉指之间的间距发生了改变
从而使电容大小发生了改变
对于叉指式的电容
既可以采用表面微加工的方法制造
也可以采用体微加工方法来制造
表面微加工方法通常制造的器件厚度有限
因此它的质量块比较小
热噪声相对大一些
可以在100个微重力加速度
到10个毫重力加速度之间
那么对体微加工技术来制造的叉指电容
它的质量块比较大
热噪声也比较低
可以把噪声降低到
1到100个微重力加速度以下
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