1．概述
近幾十年來，微電子技術(shù)發(fā)展非?？?，集成度幾乎每年翻一番。微電子技術(shù)和測試技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了微機(jī)電系統(tǒng)（micro electro—mechanical systems，簡稱mems）技術(shù)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(jī)電傳感器中，微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)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(dú)特優(yōu)點(diǎn)而受到高度重視，并大有取代傳統(tǒng)加速度計(jì)的趨勢。
微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)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(jì)，這種加速度計(jì)常用硅材料制作，故又名硅微型加速度計(jì)。
硅微型加速度計(jì)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(hào)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(jì)的性能及特點(diǎn)。
表1 幾種硅微加速度計(jì)的性能及特點(diǎn)
2．叉指式硅微加速度計(jì)
叉指式硅微型加速度計(jì)（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(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。加速度計(jì)由中央叉指狀活動(dòng)極板與若干對(duì)固定極板組成。硅制活動(dòng)極板通過一對(duì)支承梁彈簧與基座相連，支承梁能使活動(dòng)極板（檢測質(zhì)量）敏感加速度而產(chǎn)生位移?；顒?dòng)極板上有若干對(duì)叉指，每個(gè)叉指對(duì)應(yīng)一對(duì)固定極板，固定極板固定在基座上。當(dāng)加速度計(jì)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，叉指正好處于一對(duì)固定極板的中央，即叉指和與其對(duì)應(yīng)的兩個(gè)固定極板的間距相等（為y0），這時(shí)電容量c1=c2。當(dāng)加速度計(jì)敏感加速度時(shí)，在慣性力作用下，活動(dòng)極板產(chǎn)生位移，如圖1（b）所示，這時(shí)，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(shí)輸出信號(hào)將正比于加速度的大小。運(yùn)動(dòng)方向則通過輸出信號(hào)的相位反映出來。
設(shè)活動(dòng)極板的線位移使某叉指兩對(duì)極板的間隙分別變?yōu)閥0+△y和y0－△y，此時(shí)單個(gè)電容量分別為略去高階小量，其電容差值為
?。?）
式中，a1為活動(dòng)極板叉指與固定極板重疊部分的面積。
設(shè)加速度計(jì)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(dòng)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?fàn)顟B(tài) （b）活動(dòng)狀態(tài)
圖1 叉指式硅微加速度計(jì)
叉指式硅微加速度計(jì)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(gè)加速度計(jì)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(gè)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(hào)處理電路則布于四周。加速度敏感元件是一個(gè)可變差動(dòng)電容器，2μm厚的活動(dòng)極板上伸出50個(gè)叉指，形成了電容器的活動(dòng)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(gè)活動(dòng)極板通過支承梁固定，支承梁能保證活動(dòng)極板沿敏感加速度的方向作線振動(dòng)，而其他方向的運(yùn)動(dòng)都受到約束。支承梁同時(shí)作為一個(gè)彈簧，能將輸入的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移信號(hào)，同時(shí)提供恢復(fù)力，使活動(dòng)極板恢復(fù)到零點(diǎn)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(gè)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(gè)方波信號(hào)ua和uc分別施于固定電容極板y和z上，這樣，當(dāng)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，活動(dòng)極板的輸出信號(hào)ub將為零。為使活動(dòng)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(hào)，分別為+3.4 v和+0.2 v。這樣，在靜止時(shí)，動(dòng)極板輸出信號(hào)應(yīng)為+1.8 v0ub信號(hào)進(jìn)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(hào)變?yōu)榈妥杩剐盘?hào)。經(jīng)過解調(diào)和低通濾波的信號(hào)再經(jīng)前置放大器輸出。將前置放大器輸出信號(hào)u0反饋給活動(dòng)極板，該反饋電壓將在活動(dòng)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(dòng)極板恢復(fù)到中間位置，從而使ub信號(hào)減弱為零。由于是一個(gè)高增益的伺服回路，深度負(fù)反饋將使活動(dòng)極板偏離其中心位置的最大距離不超過0.01μm，此時(shí)，支承梁的彈性常數(shù)以及開環(huán)時(shí)的其他誤差源均可忽略不計(jì)。加負(fù)反饋后，在沒有加速度信號(hào)時(shí)，u0=1.8 v，在滿量程（±50g）時(shí)，△u=±1.0 v。