非硅MEMS电容式微加速度计的测控电路设计*

2012-07-25张运奎张卫平

传感器与微系统 2012年2期

张运奎，崔峰，万镇，刘武，张卫平

（上海交通大学微纳科学技术研究院，微米/纳米加工技术国家级重点实验室，上海 200240）

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随着微机电系统（MEMS）的发展，微加速度计在航空航天、武器装备、汽车、消费电子等方面有着广泛的应用与需求，尤其在冲击载荷测量、弹药引信等领域，对高过载高gn（gn为重力加速度）值加速度计提出了较高要求:上万至数十万gn量程，且频率范围较宽，工作环境恶劣。其中，电容式微加速度计灵敏度和测量精度高、稳定性好、温度漂移小、功耗极低，而且过载保护能力较强;能够利用静电力进行自检，通过实现闭环控制，可显著提高传感器的性能，是高过载MEMS微加速度计的一个重要发展方向［1，2］。

电容式微加速度计的敏感机械结构主要有2种形式:梳齿结构和三明治结构。其中，三明治结构只包含一组差分电容，结构简单，却可输出较大信号，灵敏度高，且机械强度高于前者，可达到很高的量程。针对硅材料脆性大、加工工艺复杂、支撑梁易于发生高冲击断裂失效（尤其是梳齿结构）等问题，本文给出了一种基于UV-LIGA技术的非硅MEMS金属多梁支撑圆盘敏感质量的“三明治”结构电容式高gn微加速度计，对其结构、微位移微弱电容信号检测及其测控电路进行了设计，对高频载波发生、电荷积分放大前置级、相敏解调等各级电路进行详细设计，并通过电容标定实验对微位移检测通道进行了性能评估和验证。