1、MEMS電容式加速度傳感器 學校：哈爾濱工業大學（威海） 學院：信息與電氣工程學院 專業：電子科學與技術 作者：胡詣哲090260207 紀鵬飛090260208摘 要 本文從MEMS電容式加速度傳感器的基本原理切入，主要介紹了該類型傳感器的原理和三種主要結構：三明治式、扭擺式、梳齒式及其各自結構方面優點。同時介紹目前應用較為廣泛的集成式的基于電容原理的芯片MMA7455，主要分析了該集成傳感器的內部結構和應用。關鍵字：MEMS，電容式，加速度傳感器，MMA7455AbstractIn this paper, we discussed the MEMS capacitive accelerom

2、eter from its fundamental principle and its three main structure which are sandwich, twist, and comb. Different structures have their own advantages. We also give the introduction to a popular IC accelerometer MM7455, putting an emphasis on its internal structure and some applications.Key words:MEMS

3、, capacitive, accelerometer, MMA7455一、引言1.1 MEMS加速度傳感器簡介MEMS(Micro-Machined Electro Mechanical Sensor)是微機電機械傳感器的簡稱，它是一種微米級的類似集成電路的裝置和工具。MEMS技術是一項有著廣泛應用前景的基礎技術。以半導體技術和微機電加工工藝設計、制造的MEMS傳感器，集成度高，并可與信號處理電路集成在一起，大大降低了生產成本，已在汽車、消費電子和通信電子領域取得極大發展。 MEMS加速度傳感器按敏感原理的不同可以分為壓電式、壓阻式、電容式、諧振式、熱對流式等。本文主要介紹MEMS電容加速度

4、傳感器。 二、傳感器工作原理與常見結構 2.1 MEMS電容式加速度傳感器工作原理電容式微加速度傳感器的基本結構是質量塊與固定電極構成的電容。當加速度使質量塊產生位移時改變電容的重疊面積或間距。檢測到的電容信號經過前置放大、信號調理后，以直流電壓方式輸出，從而間接實現對加速度的檢測。如圖1所示，電容式加速度傳感器由兩塊固定電極夾著一塊活動電極。在靜止的情況下，活動電極與兩塊固定電極的距離均為d0形成兩個大小為C0的串聯的電容。當加速度傳感器檢測加速度時，活動電極受加速度力產生位移，兩個電容的d發生變化。根據平行板電容的計算公式： 可知兩個電容的大小將發生變化。由于此時電容值和極板間隙不是線性關

5、系，常常采用差動電容檢測方式以解決線性問題： 上式在時成立。圖2-1 MEMS電容式加速度傳感器工作示意圖2.2 MEMS電容加速度傳感器的常見結構 三明治式所謂“三明治”結構，就是指檢測質量夾在兩塊玻璃片之間的結構形式，如圖3-1所示。固定電極分布在活動電極兩邊，敏感質量塊的上下兩面均作為動極板。當有加速度作用時，敏感質量塊發生擺動，一對電容極板間的間距變大，而另一對電容極板閉的問距變小，從而形成差動檢測電容。這種結構需要雙面光刻，加工工藝設備較多器件加工制造難度較大：井因為懸臂支撐梁所能承受的應力有限，這種傳感器所能測量的最大加速度值較小。 圖2-2三明治式電容加速度計結構示意圖 2.2.

6、2 扭擺式 扭擺式是基于三明治式，扭擺式微加速度計的兩個固定電容極板設計在活動極板的同一側形成的。由圖32扭擺式微加速度計的結構可以看出，位于支承彈性粱兩邊的敏感質量和慣性矩不相等，當有垂直于基片的外界加速度作用時，敏感質量片將圍繞支承彈性粱扭轉，結構電容大小發生變化，一對結構電容增大，一對結構電容減小從而形成結構差動電容，測量此差動電容值即可得到外界輸入的加速度載荷大小。這種傳感器結構比較簡單，不需要雙面光刻且能進行較大加速度值的測量。圖2-3 扭擺式電容加速度計結構示意圖圖2-4 蹺蹺板式扭擺式電容加速度計結構示意圖疏齒式梳齒式電容加速度計利用若干對梳齒形狀的電極形成檢測電容和加力電容，它

7、的一個明顯優點就是利用增加電極數的方式來增大檢測電容。梳齒有定齒和動齒兩種，定齒固定在基片上，動齒則附著在檢測質量上。檢測質量由彈簧支撐于基片上。當有外部加速度輸入時，動齒隨同檢測質量一起運動，并產生微位移，引起動齒與定齒之間電容的變化，電容的變化量可以通過檢測電路檢測出來，進而檢測出微位移和輸入加速度的值。其鍵臺強度高、面積大、難度低，鍵臺接觸電阻小、均勻且成品率高，提高了加速度計的分辨率和精度。但是結構相對比較復雜，加工起來難度較大。圖2-5 疏齒式電容加速度計結構示意圖三、MMA7455三軸加速度傳感器 3.1 MMA7455內部結構 MEMS加速度傳感器主要有兩部分：微電子技術加工的電

8、容性機械系統（ Micro Electro Mechanical System ）和帶有閉環反饋的信號轉換控制系統ASIC（ Application System Integrated Circuit ）。MMA7455內部由三軸加速度傳感器、多路開關、CV轉換器、放大電路、AD轉換、以及控制電路與輸出驅動電路，如圖3-1所示。圖3-1 MMA7455內部結構3.2 MMA7455應用 3.2.1 MMA7455加速度測量MMA7455可以設置三種模式2g、4g和8g，不同模式下測量精度不同輸出也不同。根據三軸檢測數據的輸出與芯片工作模式可以計算出不同軸方向加速度分量大小，最后求出加速度方向與

9、大小。圖3-2為2g模式下芯片不同放置X、Y、Z的輸出。圖3-2 由圖可以看出芯片縱向為X軸方向，橫向為Y軸方向，垂直方向為Z軸。對于傳感器模式的選擇及g值的選擇強調不同的應用環境。一般來說1.5g適合自由落體與精確的傾斜補償的應用，2g適合手持運動檢測與游戲控制器，4g適合低振動監控、運輸與處理，8g適合高震動監控與較高震動的讀取。合適選取模式可以獲得較高的精確度。 3.2.2 MMA7455傾角測量加速度傳感器可以用于多種場合的檢測與監控，如傾斜度的偵測、運動檢測、定位偵測、震動偵測、振動偵測以及自由落體等。利用三軸加速度傳感器計算單軸傾角。圖3-3是傾角測量圖解。這時加速度輸出與傾角的關系 所以可以用反正切方程求的 圖3-3傾角測量圖解 四 總結 本文介紹了電容式微機械加速度傳感器工作原理，結構組成以及飛思卡爾半導體公司的MMA7455三軸加速度傳感器芯片內部組成、測量應用等。電容式加速度微傳感器具有靈敏度高、直流響應和噪聲特性好、溫漂低、低溫靈敏度好、功耗低等優點。參 考 文 獻1 劉曉寧半導體傳感器 哈爾濱工業大學（威海） 20112 孫以材編著 微電子機械加工系統(MEMS