1．概述
近幾十年來，微電子技術發(fā)展非?？欤啥葞缀趺磕攴环?。微電子技術和測試技術的進步，促進了微機電系統(tǒng)（micro electro—mechanical systems，簡稱mems）技術的興起和發(fā)展，各類微型傳感器、微型執(zhí)行器如雨后春筍，發(fā)展勢頭非常迅猛。在這些新型的微機電傳感器中，微機電系統(tǒng)加速度計以其體積小、重量輕、成本低、可靠性好、功耗低和測量范圍廣等一系列獨特優(yōu)點而受到高度重視，并大有取代傳統(tǒng)加速度計的趨勢。
微機電系統(tǒng)加速度計通常是指利用微電子加工手段加工制作并和微電子測量線路集成在一起的加速度計，這種加速度計常用硅材料制作，故又名硅微型加速度計。
硅微型加速度計的型式多種多樣。按檢測質(zhì)量支承方式分有懸臂梁支承、簡支梁支承、方波梁支承、折疊梁支承和撓性軸支承等；按檢測信號拾取方式分，有電容檢測、電感檢測、隧道電流檢測和頻率檢測等。表1列舉了幾種目前常見的硅微加速度計的性能及特點。
表1 幾種硅微加速度計的性能及特點
2．叉指式硅微加速度計
叉指式硅微型加速度計（finger-shaped micromachined silicon accelerometer，簡稱fmsa）最初是由美國ad公司和德國siemens公司聯(lián)合研制的。目前已形成系列產(chǎn)品，包括5 g、50 g單自由度和雙自由度的產(chǎn)品。
叉指式硅微型加速度計的結構如圖1所示。加速度計由中央叉指狀活動極板與若干對固定極板組成。硅制活動極板通過一對支承梁彈簧與基座相連，支承梁能使活動極板（檢測質(zhì)量）敏感加速度而產(chǎn)生位移。活動極板上有若干對叉指，每個叉指對應一對固定極板，固定極板固定在基座上。當加速度計處于靜止狀態(tài)時，叉指正好處于一對固定極板的中央，即叉指和與其對應的兩個固定極板的間距相等（為y0），這時電容量c1=c2。當加速度計敏感加速度時，在慣性力作用下，活動極板產(chǎn)生位移，如圖1（b）所示，這時，叉指和左右兩固定極板的間距發(fā)生變化，即c1≠c2，產(chǎn)生的瞬時輸出信號將正比于加速度的大小。運動方向則通過輸出信號的相位反映出來。
設活動極板的線位移使某叉指兩對極板的間隙分別變?yōu)閥0+△y和y0－△y，此時單個電容量分別為略去高階小量，其電容差值為
?。?）
式中，a1為活動極板叉指與固定極板重疊部分的面積。
設加速度計有n組叉指，則總的電容差值為△c=n·△c1=nks1△y=ks△y。
系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度為
（2）
式中，k為支承系統(tǒng)的彈簧剛度，m為活動極板質(zhì)量；kv為控制回路增益；kf，為反饋力矩系數(shù)，．
（a）靜止狀態(tài) ?。╞）活動狀態(tài)
圖1 叉指式硅微加速度計
叉指式硅微加速度計的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。
圖2 fmsa控制系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)的固有頻率可由下式近似求得：
（3）
式中，k為系統(tǒng)支承總剛度，ms為支承彈簧的總質(zhì)量。
adxl50是ad公司開發(fā)的一個加速度計產(chǎn)品，主要用于汽車上的安全氣囊。adxl50是集成在一片單晶硅片上的完整的加速度測量系統(tǒng)。整個芯片約3 mm×3 mm，其中，加速度敏感元件部分邊長為1 mm，信號處理電路則布于四周。加速度敏感元件是一個可變差動電容器，2μm厚的活動極板上伸出50個叉指，形成了電容器的活動極板。固定電容極板則由一系列懸臂梁組成，這些懸臂梁與基座問有l(wèi)μm的間隙，懸壁梁的一端固連于基座上。整個活動極板通過支承梁固定，支承梁能保證活動極板沿敏感加速度的方向作線振動，而其他方向的運動都受到約束。支承梁同時作為一個彈簧，能將輸入的加速度信號轉換為位移信號，同時提供恢復力，使活動極板恢復到零點位置。支承梁可以是直梁或折疊梁。
圖3 adxl50測試線路
adxl50的測試回路是一個閉環(huán)的力平衡反饋回路。其測量原理如圖3所示。頻率為1 mhz，相位相差1800的兩個方波信號ua和uc分別施于固定電容極板y和z上，這樣，當在靜止狀態(tài)時，活動極板的輸出信號ub將為零。為使活動極板輸出在±50g范圍內(nèi)都為正，需在固定電容極板y和z上分別施加偏置信號，分別為+3.4 v和+0.2 v。這樣，在靜止時，動極板輸出信號應為+1.8 v0ub信號進入相敏解調(diào)器解調(diào)前需經(jīng)過緩沖器放大，使可變電容器的高阻抗信號變?yōu)榈妥杩剐盘?。?jīng)過解調(diào)和低通濾波的信號再經(jīng)前置放大器輸出。將前置放大器輸出信號u0反饋給活動極板，該反饋電壓將在活動極板和固定電極之間產(chǎn)生靜電力，該靜電力和由加速度引起的慣性力方向相反，并力圖使活動極板恢復到中間位置，從而使ub信號減弱為零。由于是一個高增益的伺服回路，深度負反饋將使活動極板偏離其中心位置的最大距離不超過0.01μm，此時，支承梁的彈性常數(shù)以及開環(huán)時的其他誤差源均可忽略不計。加負反饋后，在沒有加速度信號時，u0=1.8 v，在滿量程（±50g）時，△u=±1.0 v。