本文關(guān)鍵詞：硅微電容式、隧道式加速度計檢測技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

圖書分類號
ＵＤＣ
３’

密級

韭窒

碩士學(xué)位論文

硅微電容式、隧道式加速度計檢測技術(shù)研究

王玲

指導(dǎo)教師（姓名、職稱）． 申請學(xué)位級別 專業(yè)名稱 王主亟±

型焦塾攫

疆蜜堡噩廈塑煎月 ��！ 日 日

論文提交日期一！旦��！年璺 論文答辯Ｅｌ期

２１１１年一生

月一２１

學(xué)位授予Ｅｌ期——年——月——日
論文評閱人 答辯委員會主席

２００７年４月２３日

中北大學(xué)學(xué)位論文

硅微電容式、隧道式加速度計檢測技術(shù)研究
摘要

隨著硅微加工技術(shù)的不斷成熟，硅微加速度計已經(jīng)在傳感器市場占據(jù)著越來越重要 的地位。傳感器技術(shù)的發(fā)展也對其外圍檢測電路提出了越來越高的要求，對硅微傳感器

敏感元件輸出的微弱信號的檢測是目前研究的熱點之一。微小型化的傳感器敏感元件必
然也要求微小型化的外圍電路與之相匹配，電路的集成化是必然的趨勢ａ

本文對硅微加速度計研究中的熱點——電容式加速度計和隧道式加速度計的微弱
信號檢測電路進(jìn)行了設(shè)計、測試及標(biāo)定，并對電容式加速度計及所設(shè)計的檢測電路進(jìn)行 了厚膜混合集成。 在了解梳齒式電容加速度計檢測原理的基礎(chǔ)上，完成了其差分檢測電路的設(shè)計，為 保證其線性度和提高量程，采用了閉環(huán)反饋控制電路。測試了所設(shè)計電路的分辨率，己 達(dá)１０。６Ｆ。與電容式加速度計進(jìn)行了聯(lián)調(diào)，并進(jìn)行了傳感器的靜態(tài)及動態(tài)測試，各項測 試均較理想。

對隧道式加速度計的檢測原理——隧道效應(yīng)，進(jìn)行了介紹，并對北京大學(xué)加工的隧
道式加速度計進(jìn)行了開環(huán)測試，及對系統(tǒng)進(jìn)行了ＳＩＭｕＬＩＮＫ仿真用于指導(dǎo)隧道式加速
度計檢測電路中參數(shù)的設(shè)定。對三軸隧道式加速度計進(jìn)行了線性度測試及標(biāo)定。并對真 空封裝的隧道式加速度計進(jìn)行了ＰＩＤ設(shè)計及仿真。 電路集成可以使外圍檢測電路微型化，提高電路性能和穩(wěn)定性。采用厚膜混合集成 工藝完成了電容式加速度計及其檢測電路的集成，對厚膜混合集成所選用的元器件、材 料及制作工序進(jìn)行了詳細(xì)的論述，對集成后的電容式加速度傳感器進(jìn)行了功能測試，可 知其分辨率較之集成前提高了一個數(shù)量級。

關(guān)鍵！字：硅微加速度計，微弱信號檢測，電容式加速度計，隧道式加速度計，厚膜
混合集成

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Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｏｎ

ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ

ａｅｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｗｉｔｈ

ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆｔｈｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｔｈｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅ ｉｎ

ｈａｓ ａｌｒｅａｄｙ ｔａｋｅｎ ｕｐ

ｔｈｅ∞ｎｓｏｒ ｍａｒｋｅｔ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ

ｓｅｎｓｏｒ

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｎｅｅｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｐｅｒｉｐｈｅｒｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｏｔｓｐｏｔｓ ｉｓ ｔｈｅ ｗｅａｋ ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒ’Ｓ ｓｉｇｎａｌ．Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ ｉｓ ｎｅｅｄｅｄ ｔｏ

ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅ ｉｎｅｖｉｔａｂｌｅ ｔｒｅｎｄ ｉｓ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆｃｉｒｃｕｉｔ．
Ｔｈｉｓ ｐａｐｃｒ’Ｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎ

ｔｈｅ ｈｏｔｓｐｏｔ

ｏｆ

ｓｉｌｉｃｏｎ

ｍｉｃｒｏ·ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ－－－ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ

ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ａｅｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ｔｈｅ ｗｅａｋ ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ， ｔｅｓｔｅｄ ａｎｄ

ｄｅｍａｒｃａｔｅｄ．Ｉｎ ｏ“ｌｅｒ

ｔｏ

ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ

ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｂ豇＇ｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋ ｆｉｌｍ ｍｉｘｔｕｒｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．
Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｂ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ａｅｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ’ｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ＷａＳ
ｓｅｎｓｏｒ

ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ

ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ

ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ａｎｄ ｍｅ蠲ｕｒｅ ｒａｎｇｅ，ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｄ
ｈａｓ ｒｅａｃｈｅｄ

ｌｏｏｐ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ

ａｄｏｐｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ

１０一”Ｆ．Ａｆｔｅｒ ｊｏｉｎｉｎｇ
ｓｔａｔｉｃ ｓｔａｔｅ

ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｅｓｔｅｄ ｔｈｅ

ｓｅｎｓｏｒ’Ｓ

ａｎｄ

ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｑｕｉｔｅ ｗｅｌｌ．
Ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ’Ｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｉ ｄｉｄ ｔｈｅ ｏｐｅｎ ｌｏｏｐ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ａｃｅｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ ＷａＳ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ

ｂｙ

ｐｅｋｉｎｇ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｉ ｄｉｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ｔｏ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ

ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｅｎａｃｔｍｅｎｔ ｏｆｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
ａｎｄ ｄｅｍａｒｃａｔｅｄ，Ｔｏ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．‘
ｔｈｅ

ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅ

ｔｈｒｅｅ－ａｘｉｓ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ａｅｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｗｅｒｅ

ｔｅｓｔｅｄ

ａｃｅｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｏｆｖａｃｕｕｍ ｐａｃｋａｇｅ，ｉ ｈａｓ ｄｏｎｅ ｔｈｅ ＰＩＤ Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ
ｃａｌｌ

ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ

ｍｉｎｉｓｈ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｕｍｅ，ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ

ｐ晌ｍ啪ｃｅ

ａｎｄ

ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ

ｔｈｉｃｋ ｆｉｌｍ ｍｉｘｔｕｒｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｉｎｔｅｇｒａｔｅ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ

ＩＩ

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ｃｉｒｅｕｉ．ｔ ａｎｄ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｗｅｆｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．
ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｒｄｅｒ．
ｃａｎ

ｉｍｐｒｏｖｅ

ｏｎｅ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ，ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｅｒｏａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ｗｅａｋ

ｓｉｇｎａｌ

ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ

ａｅｅｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ａｅｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ｔｌｌｉｃｋ ｆｉｌｍ ｍｉｘｔｕｒｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ

ｌｌＩ

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１緒論
１．１硅微加速度計概述

隨著硅微加工技術(shù)的不斷成熟，硅加速度計已經(jīng)在傳感器市場占據(jù)著越來越重要的 地位，小型化、智能化、集成化已成為加速度傳感器的發(fā)展方向，其應(yīng)用也已逐步擴(kuò)展 到了工業(yè)和航天技術(shù)等領(lǐng)域【ｌ－２１。傳感器技術(shù)的發(fā)展也對其外圍檢測電路提出了越來越 高的要求，微小型化的傳感器必然也要求微小型化的外圍電路與之相匹配；對微弱信號 的檢測能力更是成為衡量外圍電路性能的一項重要指標(biāo)。

１．１．１基本原理及分類

加速度計可以用圖１．１所示的二階彈簧一阻尼器一質(zhì)量塊系統(tǒng)進(jìn)行分析嘲，當(dāng)外部加 速度作用在敏感質(zhì)量塊上時，改變了彈簧的應(yīng)力和質(zhì)量塊的位移，據(jù)此可以測試加速度 的大小。用牛頓定律和上述加速度計模型，可得到加速度計的機械傳輸函數(shù)：

阻尼器

ｌ位移ｚ
圖１．１加速度計的集總模型

肌加囂。衣２麗１
式中，口為外界加速度，矗／ｓ：
ｘ為質(zhì)量塊的位移，ｉ１１；
Ｍ為共振頻率，Ｈｚ：

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Ｑ為品質(zhì)因子，無量綱： Ｄ為阻尼因子，無量綱； Ｍ為質(zhì)量塊的質(zhì)量，ｋｇ。

外部加速度引起的質(zhì)量塊的靜態(tài)位移為：

＝——ｏ＿ ６ｘ：華：二
膏’也。

，

Ｌ．Ｊ （１１．２一）

從上式可以看出，外部加速度引起的質(zhì)量塊的位移主要由器件的共振頻率決定。 因此對于電容式加速度計的靈敏度可以用下式計算：

ｓ＝鼉＝善妄＝磊６３、百８０Ａ，瓦ａ。ｉＭ口）一籌ｋ
加
知蝕缸、瓦７劫、后７
瓦２

（ｔ．３）

式中，矗為空氣的介電常數(shù)，無量綱； Ａ是傳感正對面積，ｌｎ２； 以為初始傳感間距，ｍ。 為了能夠獲得高分辨率的加速度系統(tǒng)，要求加速度計的靈敏度要高，噪聲要小。從

上面的公式可以看出，為了能夠滿足該要求，可增大電容極板面積、增加振子的質(zhì)量、
減小電容極板間距、減小彈性梁的彈性常數(shù)。

硅微型加速度計是一類重要的微型慣性器件，硅微型加速度計主要用來測量載體的 加速度信息，并且可以通過積分，提供速度和位移信息。 微機械加速度計有多種分類方法，表１．１列出了按不同敏感原理進(jìn)行分類的加速度
計的特點的比較。

壓阻式微機械加速度傳感器是發(fā)展比較早，并且也是比較成熟的傳感器【乳。比較典型
的產(chǎn)品是美國ＥＧ＆Ｇ
ＩＣ

ＳＥＮＳＯＲＳ公司生產(chǎn)的微機械加速度傳感器，如圖１．２所示。該系

列的傳感器既有一維加速度傳感器（如３０２２、３０２８、３１４５、３２５５等），也有三維加速度傳 感器（如３３５５），測量范圍有Ｏ～±２５０９，或Ｏ～＋５００９等。在軍事上可用于航空航天中的 飛行導(dǎo)航、彈藥的點火控制。在民用領(lǐng)域可用于汽車安全氣囊、振動試驗、運動控制等
（６Ｊ。

２

中北大學(xué)學(xué)位論文 表１．１各種敏感原理及其特點比較１４１ 敏感 參數(shù) 壓阻式 壓電式 電容式 電阻 電荷 電容 信號處理電 路 簡單的電阻 電橋 電荷放大器 高靈敏度的 開關(guān)電容或 電橋電路 寬頻帶閉環(huán) 諧振頻率 微小電流檢 測電路 熱敏電阻構(gòu) 成的電橋 較好 較差 好 較好 線性 度

優(yōu)點
制作工藝和信號處 理簡單，信號較強 高頻響應(yīng)好，靈敏 度高 結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小， 易于集成，不易受 溫度影響，功耗低 重復(fù)性、穩(wěn)定性好， 不易受噪聲干擾， 數(shù)字化輸出

缺點 溫度系數(shù)相對較大，工作 溫度范圍窄 低頻響應(yīng)差，需要高阻抗 運放 信號微弱，對信號處理電 路要求高。

諧振式

諧振 頻率

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號檢測 電路要求高，工藝要求高 受外界溫度影響大，量程 較小，信號處理電路復(fù)雜

隧道電 流式 熱對流 式

隧道 電流 溫度

較差 一般

靈敏度極高 結(jié)構(gòu)簡單，可靠性 高

圖ｌ－２美國ＥＧ＆Ｇ ＩＣ傳感器（３０２８、３２５５）

壓電加速度計的特點在于它們具有較高的靈敏度，且能夠精確地檢測寬范圍的動態(tài)
加速度，這使得壓電加速度計不僅可用于測量瞬態(tài)沖擊過程外，還可用于測量正弦振動 和隨機振動。但是，壓電加速度計不適用于穩(wěn)態(tài)測量的場合，例如地球引力、慣性制導(dǎo)

或諸如發(fā)動機加速及制動等緩慢變化的瞬態(tài)過程。在壓電加速度計內(nèi)部，沒有調(diào)整部件， 因此增加了傳感器的可靠性和可重復(fù)性，能夠用于極其惡劣的環(huán)境下的測量【７－ａ］。 電容式加速度傳感器是利用電容原理，將被測加速度轉(zhuǎn)換成電容的變化來進(jìn)行加速
度測量。比較有代表性的產(chǎn)品是美國模擬器件（ＡＤＤ公司的ＡＤＸＬ系列微機械電容式加 速度傳感器，該傳感器的結(jié)構(gòu)為叉指式，如圖１．３所示。該傳感器利用表面硅微機械加 工工藝與集成電路工藝相兼容的特點，將傳感器與處理電路同時加工在一塊芯片上，解

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決了電容量小、易受分布電容影響的問題。１９９３年投產(chǎn)以來，現(xiàn)在已經(jīng)形成ＡＤＸＬ系列

產(chǎn)品吼

圖１．３ ＡＤ公司的加速度計系列芯片

諧振式傳感器的輸出特性是頻率信號，不必經(jīng)過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換就可以方便地與微型計算 機連接，組成高精度的測控系統(tǒng)。同時諧振式傳感器還具有無活動部件，機械結(jié)構(gòu)牢固， 精度高，穩(wěn)定性好，靈敏度高等特點，是一種很有前途和應(yīng)用價值的傳感器。直接輸出頻 率的諧振敏感元件有多種，如振動弦、振動梁、振動膜、振動筒等。圖１．４給出了北京大 學(xué)研制的音叉式雙諧振梁加速度計結(jié)構(gòu)圖Ｈ們。

圖Ｉ．４音叉式雙諧振梁加速度計結(jié)構(gòu)圖 美國的ＣａＵｅｎｃｈ和Ｓｔａｎｄｆｏｒｄ等四家機構(gòu)聯(lián)合研制的電子隧道效應(yīng)加速度計，如圖 １．５所示，它由壓電懸臂梁、檢測質(zhì)量、金薄膜電極、隧道探針和控制電路等部分組成。 這種結(jié)構(gòu)的主要問題是機械電氣系統(tǒng)相互影響。為解決這一問題，新型雙元件系統(tǒng)將檢 測質(zhì)量與敏感電路元件分開，隧道電流發(fā)生在懸臂梁與檢測質(zhì)量之間。它的分辨率可達(dá)
６ｘｌＯ’７

ｇ／√恧，也可用來測量水下聲波【１１－１３］。

４

中北大學(xué)學(xué)位論文

壓電懸臀粱金膜電極 寬帶懸臂粟

巨三≥隸芻
變形電極 ｂ雙粲隧道型

檢測質(zhì)量隧廷探針懸甓梁變形電極

圖１．５電子隧道加速度計

熱對流加速度計包含一個密閉的腔體，腔體中充有流體，其中有一個加熱元件把
腔體中加熱元件周圍的流體加熱，加熱后的流體發(fā)生膨脹而密度下降，在重力的作用下

上升，周圍相對冷的流體填補到空位置上，這樣反復(fù)循環(huán)而造成熱對流傳導(dǎo)。器件的工作
原理如圖１．６所示‘１４】，圖（ａ）和（ｂ）分別表示敏感方向無加速度和有加速度時加熱器周圍 的氣流圖、等溫線圖和溫度梯度圖。敏感方向無加速度時，腔體內(nèi)的加熱氣體只在重力 加速度的作用下發(fā)生對流，加熱器水平兩邊相等位置上的溫度相等，兩個溫度傳感器的 輸出相等；敏感方向有加速度時，腔體內(nèi)的氣體在重力加速度和外加速度的聯(lián)合作用下

對流，加熱器水平兩邊相等位置上出現(xiàn)溫度差，兩個溫度傳感器的輸出就產(chǎn)生差異。若兩 個溫度傳感器采用熱敏電阻，可與外接的兩個參考電阻構(gòu)成電阻電橋，這樣電橋的外界
的加速度信號就可以轉(zhuǎn)化為輸出電壓信號：

（ａ）敏感方向無加速度時

（ｂ）敏感方向有加速度時

圖１．６熱對流加速度計工作原理示意圖

中北大學(xué)學(xué)位論文

１。１．２電容式加速度計的國內(nèi)外概況

電容式加速度計的研制最早可見于ＣｏＬ，采用扭轉(zhuǎn)差分電容結(jié)構(gòu)，表面微機電加
工工藝，采用分立檢測電路，陶瓷封裝，該種結(jié)構(gòu)的器件已商業(yè)化，生產(chǎn)廠家有：ｗＡ， Ｉｓｓａｑｕａｈ的Ｓｉｌｉｃｏｎ
Ｄｅｓｉｎｇｓ，Ｉｎｃ、Ｆｏｒｄ

Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃ咖ｉｃｓ

Ｉｎｃ。商業(yè)器件帶有分立接口集

成電路（ＩＣ），用來提供正比于加速度的脈沖輸出【Ｊ５】。國外加速度計最成功的例子是美

國ＡＤ公司的ＡＤＸＬ－５０系列力平衡電容式加速度計【１６１，如圖１．７所示，該器件量程
為±５０９，采用ＴＯ．ＩＯＯＩＣ標(biāo)準(zhǔn)ＩＣ封裝。包含一個有微機電多晶硅懸浮梳狀結(jié)構(gòu)與完

整的片上雙極ＭＯＳ信號調(diào)節(jié)電路，質(zhì)量塊移動的距離不超過１０ｈｍ。該種傳感器針對
汽車氣囊設(shè)計，并已獲得大量應(yīng)用。

圖１．７

Ａｎａｌｏｇ

Ｄｅｖｉｃｅｓ公司的ＡＤＸＬ．５０型

目前，休斯公司正在研究特別要求的高靈敏度、高過載能力和高ｇ值測量的微型 加速度傳感器研究。Ｄｒａｐｅｒ正在進(jìn)行用于慣導(dǎo)和武器裝備的高靈敏度、高分辨率的微

型加速度傳感器的研究。其中，利用ＤＲＩＥ等先進(jìn)技術(shù)研制出的加速度傳感器精度達(dá)
到０．１ｍｇ，已經(jīng)用于美國海軍的ＥＸ－１７１增程制導(dǎo)炮彈【ｌ”。

清華大學(xué)于１９９９年研制成功叉指狀電容式硅微加速度計；北京大學(xué)的硅微電容伺

６

中北大學(xué)學(xué)位論文

服加速度傳感器靈敏度為３ｖ／ｇ。河北半導(dǎo)體研究所于２００２年研制的梳齒驅(qū)動硅微電
容式加速度傳感器，采用正面釋放體硅工藝，其非線性度為Ｏ．２％，帶寬ｌｋＨｚ，靈敏

度為２００ｍｖ／ｇ。中國工程物理研究院電子工程研究所傳感器研究中心在“九五”末研
制出最高量程達(dá)６０９的“叉指式靜電飼服微加速度計”【ｌ町。

國內(nèi)的電容式加速度計表頭加工工藝己基本成熟，但處理電路一般采用分立元件
來實現(xiàn)，影響了其測試精度。

１．１．３隧道式加速度計的國內(nèi)外概況

ＭＥＭＳ隧道式加速度計由于其潛在的高性能和廣闊的應(yīng)用需求，一直是研究的熱 點。第一個力平衡式隧道效應(yīng)加速度計產(chǎn)生于美國ＮＡＳＡ旗下的ＪＰＬ實驗室。在ＪＰＬ 的設(shè)計中，隧道電流的兩極距離為ｌＯ埃，由上下兩片硅片構(gòu)成，采用ＭＥＭＳ工藝加工。 隨后，美國Ｓｔａｎｆｏｒｄ大學(xué)在ＮＡＳＡ資助下為水下潛艇探測和太空機器人慣性控制而繼續(xù) 進(jìn)行了該研究，探測精度已經(jīng)達(dá)到了ｌｕｇ，而正朝著０．０ｌｕｇ努力。

圖Ｌ

８

ＪＰＬ和斯坦福大學(xué)的隧道式加速度計結(jié)構(gòu)圖０１９１

７

中北大學(xué)學(xué)位論文

Ｍｉｃｈｉｇａｎ大學(xué)對隧道式自ｎ速度計也做了大量的研究。所設(shè)計的隧道式加速度計的
結(jié)構(gòu)圖，采用片上鍵和工藝進(jìn)行制備，可實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。Ｍｉｃｈｉｇａｎ大學(xué)所做的研究

工作主要是針對ＪＰＬ和斯坦福大學(xué)前期研究中的弱點，即驅(qū)動電壓大、手動粘合單片 封裝。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，提出了降低驅(qū)動電壓、兼顧其他性能的設(shè)計且標(biāo)【冽。 ＭＩＴ研究的隧道電流式加速度計采用體硅工藝加工，反饋控制電路和敏感器件經(jīng)過
二次集成封裝在一個標(biāo)準(zhǔn)的ＩＣ基座上，其量程為５９，頻率響應(yīng)為０—１０ｋＨｚ，抗沖擊１００９， 電極尖距離的變化從５．５埃到８．５埃，遺憾的是，其線性度并不是很好。僅為０．１９６。 Ｃｏｍｃｌｌ大學(xué)采用ＳＣＲＥＡＭ工藝制各了橫向的隧道加速度計，圖１．９所示為質(zhì)量塊 和隧尖的ＳＥＭ照片，制備的加速度計分辨率較高【２”。Ｈｕｇｈｅｓ 用表面工藝制各了量程達(dá)１００００９的高量程隧道加速度計。
ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ則采

圖１．９質(zhì)量塊和集成隧尖的ＳＥＭ照片

美國明尼蘇達(dá)大學(xué)研制了一種新型的基于高分子聚合物的隧道式加速度計嘲，并設(shè)
計了其結(jié)構(gòu)、加工工藝與測試方法，驗證了隧道效應(yīng)，并期望在很多領(lǐng)域應(yīng)用。圖１．１０
為基于聚合物的隧道式加速度計的剖面圖。

圖１’１０基于聚合物的隧道式加速度計的剖面圖

８

中北大學(xué)學(xué)位論文 不同單位的隧道式加速度計性能指標(biāo)比較如表１．２所示。 表ｌｊ 性能 敏感類型 結(jié)構(gòu) 加工 諧振頻率 隧道勢壘
０．１６８５ｅＶ Ｏ．２１２ｅＶ ０．３６８ｅＶ ０．０５－０．２ｅＶ ０．００６ｅＶ

２不同隧道式加速度計的比較【１９銣
Ｍｉｃｈｉｇａｎ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｈｕｇｅｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｌａｂ

Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ
ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ｓｔａｎｄｆｏｒｄ ｕｎｌｖｅｒｓｉｔｙ

Ｃｏｍｅｌｌ
ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

縱向 膜 基于聚合物
１３３Ｈｚ

縱向 懸臂梁 體硅
１００Ｈｚ

縱向 懸臂梁 體硅
６４０Ｈｚ

縱向 懸臂梁 體硅
７１ｋＨｚ

橫向 梳齒

表面硅
４．６ｋＨｚ

高度 分辨率

０．２５蚓√麗
±１．５ｍｇ

０．４倒√磊
Ｏ－ｌｉｎｇ

０．１ｍｇ／ｄ－面
－２０ｔｏｌｏｍｇ

８５．ｇ／，／－醞
Ｏｖｅｒ １０４９

２０．ｅ礦４－醞

動態(tài)范圍 靈敏度 帶寬

２６Ｖ／ｇ
６．３ＫＨｚ

４４Ｖ／ｇ
１．５ＫＨｚ

１３３ｍＶ／ｇ
２ＫＨｚ

７．９ｍＶ／ｇ
５００Ｈｚ

０．２３ｍＶ／ｇ
４．６ＫＨｚ

我國清華大學(xué)、東南大學(xué)、信息產(chǎn)業(yè)部十三所、北京大學(xué)等單位也曾作過ＭＥＭＳ 隧道傳感器的研究。清華大學(xué)設(shè)計和制備了基于表面工藝的縱向隧道式加速度計并研究 了采用ｌａｂｖｉｅｗ軟件對隧道加速度計輸出信號進(jìn)行處理的方法１２５－２６］；東南大學(xué)利用濃硼 自停止腐蝕工藝設(shè)計和制備了扭擺式隧道加速度計佇７－２９１；信息產(chǎn)業(yè)部十三所利用濃硼擴(kuò)

散自停止腐蝕工藝制備了三明治結(jié)構(gòu)的微型隧道式加速度計，完成了隧道加速度計的閉 環(huán)測試１３０】；北京大學(xué)基于硅玻璃鍵合深刻蝕釋放工藝的擴(kuò)展工藝，加工出了微型隧道加 速度計。采用ＨＰ４１４５Ｂ半導(dǎo)體分析儀在大氣環(huán)境下對所加工的器件進(jìn)行了開環(huán)測試，
驗證了隧道電流的存在以及隧道間隙與隧道電流之間的指數(shù)關(guān)系。實驗結(jié)果外推出的隧 道勢壘的范圍為１．１８２～２．１７７ｅＶ。大部分器件的開啟電壓在１４～１６Ｖ之間。在一１，０和 ＋ｌｇ三種狀態(tài)下對開啟電壓分別進(jìn)行了測試，得到加速度計的靈敏度約為８７ｍＶ／ｇ［３１－３３］。 圖１．１１為北京大學(xué)隧道式加速度計的加工版圖。

９

中北大學(xué)學(xué)位論文

圖１．１ｌ隧道式加速度計的加工過程 １．２硅微傳感器微弱信號檢測技術(shù)

１．２，１微弱信號檢測技術(shù)概述【３４．３６】

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，被噪聲掩蓋的各種微弱信號的檢測（如弱光、小位移、微振 動、微應(yīng)變、微溫差、弱磁、微電流、低電平電壓等）越來越受到人們的重視，因而逐 漸形成微弱信號檢測（Ｗｅａｋ
ｓｉｇｎａｌ

Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，簡稱ＷＳＤ）這門新興的分支技術(shù)學(xué)科，應(yīng)

用范圍遍及光、電、磁、聲、熱、生物、力學(xué)、地質(zhì)、環(huán)保、醫(yī)學(xué)、激光、材料等領(lǐng)域。 微弱信號檢測技術(shù)是采用電子學(xué)、信息論、計算機及物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原

因和規(guī)律，研究被測信號的特點與相關(guān)性，檢測被噪聲淹沒的微弱有用信號。微弱信號
檢測的目的是從強噪聲中提取有用信號，或用一些新技術(shù)和新方法來提高檢測系統(tǒng)輸出

信號的信噪比。對微弱信號檢測理論的研究，探索新的微弱信號檢測方法，研制新的微
弱信號檢測設(shè)備是目前檢測技術(shù)領(lǐng)域的一個熱點。 檢測有用微弱信號的困難并不在于信號的微小，而主要在于信號的不干凈，被噪聲 污染了、淹沒了。所以將有用信號從強背景噪聲下檢測出來的關(guān)鍵是設(shè)法抑制噪聲。提 高信號檢測靈敏度或抑制、降低噪聲的基本方法有二： （１）從傳感器及放大器入手，或降低它們的固有噪聲水平，或研制和設(shè)計低噪聲

１０

中北大學(xué)學(xué)位論文

放大器，例如對直流信號采用斬波穩(wěn)零運算放大器（如Ｆ７６５０），對交流信號采用ＯＰ系
列運算放大器等； （２）分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，以及被測信號的特征，采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段和 方法，把有用信號從噪聲中提取出來，即研究其檢測方法。 除噪聲外。信號通道中還可能存在干擾。干擾與噪聲有本質(zhì)區(qū)別。噪聲由一系列隨 機電壓組成；而干擾通常都有外界的干擾源，有些為周期性的，如工頻干擾、同頻干擾

等，有些為瞬時的，如沖擊電壓、電或磁的干擾等。干擾對微弱信號的檢測同樣是有害
的，但可以根據(jù)干擾源的不同特點，采取相應(yīng)措施加以消除。

１．２．２硅微傳感器減小系統(tǒng)噪聲的措旋【３７－３９１
一般硅微傳感器輸出的都是模擬信號，而且這一信號非常微弱，例如電容式硅微加 速度計中，電容變化量很小，通常在ｌＯ。５Ｆ左右，且受溫度、雜散電容、電磁干擾等的 嚴(yán)重影響，檢測這一電容信號并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出的測試電路的實現(xiàn)難度非常 大。事實上，目前在國內(nèi)外硅微機械加速度計的研制過程中，傳感器輸出的微弱信號的

檢測一直是困擾研究人員的突出問題。
對于我們所研究的微器件，尺寸微小是其基本特征，由于微尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致微傳感 器的輸出量衰減到微弱信號級，如運動位移、振幅及變形４，Ｎ亞ｔｕｎ和ｎｌｎ量級。將他們 變換成可供接受和處理的電信息時，相應(yīng)的電壓量小到Ｈｖ、亞ｐＶ乃至ｎｖ，電流量小 到ｎＡ，電容量小到（１０“５口１０‘１８）Ｆ。由于微機電裝置產(chǎn)生的輸出信號如此微小，任 何放大電路在此情況下都存在背景噪聲。為了把如此微弱的有用信號從強噪聲背景下提 取出來，從設(shè)計上考慮，一般采取以下措施： １．采用調(diào)制解調(diào)型前置放大電路 對于調(diào)制解調(diào)型微機械加速度計，解調(diào)器之前的低頻電路噪聲不會對有效信號造成 影響，故噪聲可以通過調(diào)制、解調(diào)得以抑制。所以，減小解調(diào)后的信號的放大倍數(shù)，使 系統(tǒng)的增益主要集中在解調(diào)器之前，可以減小整個系統(tǒng)的低頻噪聲。同時應(yīng)注意載波高 度穩(wěn)定。對于解調(diào)器之后的電路，由于工作的頻段和低頻噪聲的頻段相同而很難消除。

中北大學(xué)學(xué)位論文 ２．濾波處理 在大部分檢測儀器中都要對模擬信號進(jìn)行濾波處理，有的濾波是為了隔離直流分

量，有的濾波是為了改善信號波形低頻段的噪聲、１／，噪聲和緩慢漂移，包括時『自Ｊ漂移
和溫度漂移。 ３．采取屏蔽措施

在布線的過程中要注意運算放大器輸入端的屏蔽。通常在電路板的兩面都用引線將
兩個輸入腳包起來，接到合適的屏蔽電位上，以減小經(jīng)運算放大器輸入電容溜走的漏電 流。整個加速度計電路需要置于電磁屏蔽的密封中，以盡可能地減小外界的干擾。

饔交電源濾波

’

在電源線和地線之問接入去耦電容，可以減小電路中有電源線帶入的干擾。 ５．設(shè)計低噪聲的靜置差動放大電路 由于微機械加速度計的信號十分微弱，前置放大電路是非常重要的，應(yīng)采用噪聲極 微弱的對管組成前置差動放大電路。 ６．采用集成電路 對于微弱信號，很容易受分布電容以及外界強信號的干擾，因此將加速度計整個電 路集成，勢必有利于噪聲的減小和有用信號的拾取。 ７．增大敏感質(zhì)量 檢測質(zhì)量越大，它受分子運動的影響就越小，機械噪聲也就越小。 ８．適當(dāng)真空封裝 將微機械加速度計適當(dāng)抽真空加以封裝，可有效減小阻尼，增加敏感元件的Ｑ值， 進(jìn)而減小機械噪聲。
９．

從反饋補償和閉環(huán)控制系統(tǒng)角度考慮 為了把某種幅度較小的被測量檢測出來，一般都要對其進(jìn)行變換和放大，使其以人

們能夠感知的方式呈現(xiàn)出來。而變換和放大的過程不可避免地會引入一些干擾噪聲，影 響輸出指示的信噪比和輸出精度。反饋補償法能有效地減小這些干擾噪聲的不利影響。 對于輸入或干擾引起的誤差，可以從閉環(huán)控制角度考慮進(jìn)行抑制。

中北大學(xué)學(xué)位論文 １．３集成電路概述Ｉ拋。１

集成電路是指組成電路的有源器件、無源元件及其互連線一起制作在半導(dǎo)體襯底上
或絕緣基片上，形成結(jié)構(gòu)上緊密聯(lián)系的、內(nèi)部相關(guān)的整體電子電路。它可分為半導(dǎo)體集 成電路、膜集成電路、混合集成電路三個主要分支。

１．３．１半導(dǎo)體集成電路

半導(dǎo)體集成電路是指用外延、氧化、光刻、擴(kuò)散以及離于注入等半導(dǎo)體工藝將電子 元器件一起制作在半導(dǎo)體襯底上，并用ＰＮ結(jié)或介質(zhì)生長法進(jìn)行隔離，用金屬蒸鍍進(jìn)行 互連所構(gòu)成的集成電路。

１．３．２膜集成電路

膜集成電路即指構(gòu)成電路的電子元器件，以膜的形式淀積在絕緣基片上所形成的全 膜化電路，它又可分為厚膜集成電路和薄膜集成電路兩類。 ａ．厚膜集成電路

厚膜集成電路是指采用絲網(wǎng)漏印、高溫?zé)Y(jié)成膜、等離子噴涂等厚膜技術(shù)，將組成
電路的電子元器件（導(dǎo)電帶、電阻、電容、電感，二極管、晶體管等）以膜的形式制作在

絕緣基片上所構(gòu)成的集成電路。因為厚膜元器件的膜厚一般為幾微米至幾十微米，與薄
膜元器件相比，厚度較厚，因此稱為厚膜集成電路。 ｂ．薄膜集成電路 薄膜集成電路是指用真空蒸發(fā)、濺射、光刻為基本工藝的薄膜技術(shù)，將組成電路的 電子元器件，以膜的形式制作在絕緣基片上所構(gòu)成的集成電路。由于薄膜元器件的膜厚 一般為１微米以下，相比之下較薄，故稱為薄膜集成電路。

１．３．３混合集成電路

中北大學(xué)學(xué)位論文 雖然厚、薄膜技術(shù)在制造無源元件方面已十分成熟，但迄今為止，仍不能大量生產(chǎn)

出質(zhì)量穩(wěn)定的有源器件，因此全膜化問題，無論厚膜還是薄膜均未真正解決。全膜化的
膜集成電路尚需解決許多關(guān)鍵技術(shù)，改進(jìn)性能，提高質(zhì)量，降低價格，才能付諸實用。 另一方面，半導(dǎo)體技術(shù)在有源器件制造方面雖已非常成熟，然而至今尚不能制造出性能 優(yōu)良的精密無源元件。因此這兩者的優(yōu)點結(jié)合起來形成的混合集成電路就能在很多方面

滿足電子設(shè)備的需要。這就是近年來混合集成電路在廣闊范圍內(nèi)仍在不斷發(fā)展和日益完
善的重要原因。

綜上所述，混合集成電路就是采用混合技術(shù)制造的集成電路。它是將膜集成技術(shù)制
造的無源元件與半導(dǎo)體技術(shù)制造的有源器件（包括半導(dǎo)體集成電路芯片）采用靈活的組 裝技術(shù)組裝在絕緣基片（也可以是半導(dǎo)體襯底上）上所形成的集成電路。

１．３．４三種集成電路的特點及比較

半導(dǎo)體、薄膜和厚膜集成電路之間的比較如表１．３所示１４２】：下面分別介紹其優(yōu)缺點。 表１．３半導(dǎo)體電路、薄膜電路、厚膜電路的特點比較 半導(dǎo)體電路 電路設(shè)計 難易程度 試制周期 薄膜電路

厚膜電路
選擇和設(shè)計的自由度大， 修改設(shè)計非常容易 約ｌＯ天

選擇和設(shè)計的自由度受 選擇和設(shè)計的自由度大， 限，修改設(shè)計困難 約三個月 性能比分立元件稍差，寄 性能比分立元件稍差，寄

修改設(shè)計容易
約２０天

高頻、高速 生效應(yīng)大，不適于微波應(yīng) 生效應(yīng)減小，適于微波應(yīng) 性能

同左，微波應(yīng)用比薄膜

用增益帶寬乘積１００刪ｚ
用，增益帶寬積１０００～ＩＨｚ 以上 大批量生產(chǎn)成本低，不宜

差，增益帶寬積４００刪ｚ

生產(chǎn)成本 小量生產(chǎn)

較高

低

數(shù)字電路，脈沖電路，模 阻值較高精度很高的電 高阻值、高精密電路，高 適用電路 擬電路，差動放大器有源 路，超高頻電路，模擬電 壓、大功率電路模擬電

１４

中北大學(xué)學(xué)位論文

１．４論文的主要工作

本論文主要對目前微加速度計研究的熱點——電容式加速度計和隧道式加速度計，
設(shè)計檢測電路，與電容式和隧道式加速度計表頭進(jìn)行了聯(lián)調(diào)和測試，并進(jìn)行標(biāo)定。為減 小體積，提高電容式加速度計的檢測精度，通過厚膜混合集成工藝，將檢測電路和電容

式加速度計進(jìn)行了集成。主要的工作有： １．大量的收集了國內(nèi)外微機械加速度傳感器的發(fā)展及現(xiàn)狀的相關(guān)資料，并總結(jié)出了目
前主要的硅微機械加速度傳感器的工作原理及技術(shù)指標(biāo)以及目前發(fā)展的趨勢： ２．針對目前國內(nèi)研究的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)合微弱信號檢測的知識，從電路設(shè)計和增加集成 度兩個方面來提高加速度計的檢測精度。

３。對目前研究的熱點——電容式和隧道式加速度計，進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，在所設(shè)
計的檢測電路的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電路測試和系統(tǒng)測試，并進(jìn)行標(biāo)定。

４．在分析現(xiàn)有集成電路優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，選擇了厚膜混合集成對電容式加速度計和后
續(xù)處理電路進(jìn)行了集成，并進(jìn)行了功能測試。 本論文的安排如下： 第一章：緒論。對微慣性加速度計及其國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)進(jìn)行了初步論述。重點介紹

了目前研究的側(cè)重點——電容式和隧道式加速度計的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，重
點分析了我國與國外還存在差距的方面。對ＭＥＭＳ系統(tǒng)微弱信號檢測進(jìn)行了概述，提

出了提高系統(tǒng)檢測精度的一般原則；對現(xiàn)有的集成電路進(jìn)行分類論述，并在分析其優(yōu)缺 點的基礎(chǔ)上選擇厚膜混合集成來提高檢測精度。 第二章：硅微電容式加速度計檢測技術(shù)研究。在本章中，對電容式加速度計的檢測
技術(shù)進(jìn)行了概述。在基于檢測原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合梳齒式加速度計表頭的優(yōu)點，在分析 系統(tǒng)噪聲來源的基礎(chǔ)上，設(shè)計梳齒式電容加速度計的檢測電路，為保證其線性度和提高

量程，采用了閉環(huán)反饋控制電路。對電路進(jìn)行了性能測試，其線性度較好。 第三章：隧道式加速度計檢測技術(shù)研究。在本章中，對隧道式加速度計的檢測原理

中北大學(xué)學(xué)位論文

——隧道效應(yīng)，進(jìn)行了概述，設(shè)計了閉環(huán)檢測電路來檢測隧道式加速度計，勢對三軸隧
道式加速度計進(jìn)行了線性度測試。 第四章：電容式、隧道式加速度傳感器的測試。將所設(shè)計的檢測電路應(yīng)用于電容式 加速度計表頭，并進(jìn)行系統(tǒng)的靜態(tài)線性度、噪聲測試及動態(tài)噪聲、頻譜測試。對隧道式

加速度進(jìn)行開環(huán)測試，通過測試，反映表頭對外圍檢測電路精度的要求非常之高。對系
統(tǒng)進(jìn)行ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真來指導(dǎo)電路設(shè)計中參數(shù)的設(shè)定。所設(shè)計的電路應(yīng)用于北京大學(xué)

所加工的隧道式加速度計，進(jìn)行了噪聲測試，并對真空封裝的隧道式加速度計進(jìn)行ＰＩＤ
設(shè)計及仿真。 第五章：厚膜混合集成電容式加速度計的制作。對厚膜混合集成電路所選用的元器

件和材料進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并對工藝過程及其可能存在的問題進(jìn)行了分析。并對集成
后的電容式加速度傳感器進(jìn)行了功能測試。

１６

中北大學(xué)學(xué)位論文

２硅微電容式加速度計檢測技術(shù)研究
２．１電容式加速度計的工作原理

有物理學(xué)可知，兩個平行金屬極板組成的電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容為

ｃ＝等
ａ

（２．１）

式中：占二一兩個極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，無量綱；
ｓ——兩個極板相對有效面積，ｎ１２；
ｄ——兩個極板間的距離，ｍ。
有上式可知，改變電容ｃ的方法有三種，其一為改變介質(zhì)的介電常數(shù)占；其二為改 變電容的有效面積Ｓ；其三為改變兩個極板間的距離ｄ。從而得到電參數(shù)的輸出為電容 值的增量ＡＣ，這就組成了電容式傳感器。

根據(jù)上述原理，在應(yīng)用中，電容式傳感器可以有三種類型——即變極距型，變面積
型和變介電常數(shù)型【４３１。 電容式加速度計采用的是差分變極距型，圖２．１為其檢測原理圖。即為電容式加速 度計的可動質(zhì)量塊與極板問關(guān)系的基本原理圖，上下極板為固定齒，中間可動質(zhì)量塊為 電容的動齒。上下兩個極板與中間質(zhì)量塊形成差分電容［４４１。
Ｖｈ．

［二三］Ｔ喜
¨ ¨

魚三墮上審

——————蕊�。� ———習(xí)蕭丁。
（ａ）

雩；
西＝ｄｏ＋ｚｌｄ

Ａ－Ｇ

圖２．１可動質(zhì)量塊與差動電容極板闖關(guān)系及其等效圖 （口）加速度為零；（６）加速度不為零時質(zhì)量塊發(fā)生偏移； （ｃ）等效電路圖

加速度傳感器在加速度口的作用下，敏感質(zhì)量塊電容極板相對于殼體位移發(fā)生改變 △ｄ，則有表達(dá)式：

１７

中北大學(xué)學(xué)位論文
Ｆ＝ｍ口＝／ＣＡｄ （２．２）

其中Ｋ為支撐質(zhì)量塊懸臂梁的彈性系數(shù)。 當(dāng)其中電容器ｃ．的電容隨位移ａｄ的減小而增大時，另一個電容器Ｃ：的電容則隨著 △ｄ的增大而減小。 Ｃｌ

２和ｅｏＡ＝ｃｏ壺
蟊
矗

（２．３）

ｃ２２硒ｓｏＡ＝ｃｏ走
測電容約在１０�！保啊暗牧考�，即可以滿足Ｍ／ｄ＜＜ｌ的要求，故電容變化量為；

（２．４）

而對于硅微電容式傳感器，由于其低量程、高精度的特點，電容的變化量相對于檢

△ｃ＝ｑ—Ｃ２＝２ｃ０等
從上式可知，電容的變化量與間距變化量成線性交化。 ２．２系統(tǒng)的噪聲

（２．５）

對于小信號而言，系統(tǒng)的噪聲就表征了系統(tǒng)的最小分辨率。系統(tǒng)的噪聲主要來源于 機械結(jié)構(gòu)的機械噪聲、熱噪聲和來自測量電路的噪聲。其引入噪聲的途徑如圖２．２所示
【４５ｌ：

布朗噪聲

電子噪聲

圖２．２系統(tǒng)引入噪聲的方框圖

２．２．１機械敏感部分的噪聲陽

１８

中北大學(xué)學(xué)位論文 機械熱噪聲主要是有系統(tǒng)周圍空氣的布朗運動引起的，即布朗噪聲，器件的最小探 測加速度即分辨率有機械熱噪聲決定。 布朗噪聲力的功率譜密度為：

嚴(yán)∽＝ｋ紹
式中如為玻爾茲曼常數(shù)（１．３８ｘ１０。Ｊ瓜），Ｔ為絕對溫度，Ｂ為阻尼力系數(shù)。
對于電容式傳感器其機械熱噪聲的等效加速度譜密度為

（２．６）

肚４ｋ川ＢＴＢ［（ｍ／ｓ２）２Ｈｚ－］
Ｍ２

ｌ

億，，
‘ 。

式中，Ｍ為振子質(zhì)量，則等效噪聲加速度為

％＝４肘ｋ，ｆ硒ＴＢ Ｌ［ｍ尼／ｓ２］
加速度ａｎ＝１．７９１ｘｇ／ｘ／－面，所以從設(shè)計角度來說至少可以分辨１．７９Ｉｘｇ。

唾ｐ

若設(shè)計的加速度傳感器吖＝０．７４ｘｌ礦Ｋｇ，阻尼力系數(shù)Ｂ＝１．０８６×１０－３，則等效噪聲

２．２．２檢測電路部分的噪聲

１．電容式加速度計的噪聲模型【４７】

圖２．３傳感器檢測電容噪聲模型
Ｃｐｌ、Ｃｐ２為輸入和輸出端寄生電容，Ｃｐ３為傳感器檢測電容的并行寄生電容，Ｐ．ｐｓ 為串聯(lián)寄生電阻，Ｒｐｐ為并聯(lián)寄生電阻。

１９

中北大學(xué)學(xué)位論文 對傳感器電容的測量，必須盡量減小寄生電容和寄生電阻的影響。我們在設(shè)計檢測

電路時，充分考慮到了這點。
２．檢測電路噪聲 由于所測對象本身為微弱量，受各種不同傳感器靈敏度約限制，所得到的電量還是 小信號。在信號檢測的電路設(shè)計中，一般信號都需要經(jīng)過一級或多級的前置放大。此時 的信號中所包含的噪聲包括兩個方面：一是來自電路檢測系統(tǒng)的外部，例如市電干擾、 溫度漲落、以及宇宙射線等。克服這類噪聲的辦法是采用嚴(yán)密的電磁屏蔽；二是由于蔚 置放大所帶來的噪聲，這類噪聲不能通過屏蔽的辦法克服，只能通過選用性能優(yōu)越的前 置放大器以及低噪聲電路來使噪聲的影響最小，其中性能優(yōu)越的低噪聲前置放大器是其 中的關(guān)鍵。

２．３檢測電路設(shè)計的理論基礎(chǔ)
２．３．１偏置電壓和驅(qū)動電壓極性的選取

為測量電容式傳感器的電容變化，通常需要一定形式的電壓驅(qū)動信號，電壓驅(qū)動信 號產(chǎn)生的靜電力作用在移動電極上，干擾器件的測量［４９－４９１。進(jìn)而影響到器件的精度。此

時，在電容式加速度計運動極板上的作用力主要有四種：被測物理量產(chǎn)生的作用力、支
撐結(jié)構(gòu)的彈性恢復(fù)力、阻尼力和驅(qū)動信號的靜電力。 Ｐｕｅｒｓ和Ｌａｐａｄａｔｕ［５０ｌ發(fā)現(xiàn)單邊驅(qū)動信號產(chǎn)生的靜電力在測量過程中會導(dǎo)致偏移誤 差，如果超過臨界電壓，會使敏感結(jié)構(gòu)失效。ＬｉＩ”】分析了開環(huán)電容式加速度計的靜電力， 提及如果沒有反饋電壓，直流偏置電壓會有正反饋效應(yīng)，加速度計的靈敏度和使用范圍 可以通過改變偏黃電壓來調(diào)整。但是沒有分析在開環(huán)模式下，偏置電壓極性對傳感器的 影響，Ｂａｏｔ蛇１分析了靜電力在三種情況下對電容式傳感器測量的影響：單邊驅(qū)動、雙邊 驅(qū)動、有電子機械反饋的雙邊驅(qū)動，并討論了驅(qū)動信號對輸出偏移、靈敏度、可動電極 和固定電極問吸合的影響。

中北大學(xué)學(xué)位論文

圖２．４雙邊驅(qū)動加速廈計不恿圈 上圖所示為一雙邊驅(qū)動結(jié)構(gòu)。不考慮阻尼情況下，當(dāng)運動極板因慣性力而產(chǎn)生較小 位移ｘ時，質(zhì)量塊的力平衡方程為： Ｅ＋小口一ｈ＝０
（２．９）

式中Ｅ為靜電驅(qū)動力，ｍａ為慣性力，ｋ為彈簧的剛度系數(shù)。運動極板兩端的電容大小分

別為：印Ｃｏ‰ｘ＋。石，ｃ２－Ｃｏ％Ｘ—ｏ石，
Ｘｏ為電容初始間距。輸出電壓為：

％鉑喪ｃ㈧，＝％孚
如果Ｋ＝一圪＝Ｅ，則輸出電壓為暑｛乏Ｅ，在小位移情況下有：

弦㈣

ｃ－一Ｇ＝ｃｏ（赤一去］＝ｃｏ坐ｘ０２＿血．２＊＿２Ｃｏ
性關(guān)系，這也是電容式傳感器檢測的原理·

億…
Ａ而ｘ

所以在小振動情況下，輸出電壓為：％。一壘圪，輸出電壓和運動極板的位移成線

通常情況下，驅(qū)動電壓由交流分量和直流分量組成，信號組成方式為±％±Ｋ ｓｉｎｗｔ，
作用在運動極板Ｅ的靜電力為：

２ｌ

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Ｅ＝等［禹一禹）
。２‰２ｌ（１一習(xí)２（１＋髫）２ Ｊ
ｌ和％為驅(qū)動電壓，Ｖ：ｊ＝ｘ／甌。

汜㈣ ……

式中，Ａ為極板面積，ｍ２；蟊為電容極板的起始間距，ｍ；島為介電常數(shù)，無量綱；

當(dāng)傳感器兩邊為雙邊驅(qū)動時，對于同樣大小的驅(qū)動電壓，無論極性如何，其對傳感 器的靜電力效應(yīng)是相同的，在較小的位移王時，驅(qū)動信號對運動極板的作用力隨著ｊ增 大而增大，所以靜電力對運動極板產(chǎn)生正反饋效應(yīng)。該效應(yīng)使傳感器的可靠工作范圍降 低，從而容易導(dǎo)致吸合效應(yīng)，但是由于正反饋，使傳感器系統(tǒng)的有效剛度系數(shù)降低，可 以使傳感器靈敏度增加瞪３１。 對帶電壓反饋的雙邊驅(qū)動，偏置電壓為正．正配置時，也可以達(dá)到偏置電壓為正．負(fù)

配置的效果，即該配置也使反饋電壓產(chǎn)生電子機械負(fù)反饋效應(yīng)，從而改善力反饋電容傳
感器的線性度。而偏置電壓為負(fù)．負(fù)或負(fù)．正配置時，由于此時反饋電壓產(chǎn)生電子機械正 反饋，應(yīng)用這種偏置電壓配置，可以改變傳感器系統(tǒng)的有效剛度系數(shù)，從而改變傳感器 的靈敏度，但是，此時傳感器的可靠工作范圍會改變。驅(qū)動信號的偏置電壓極性可根據(jù) 對傳感器的線性度、靈敏度、穩(wěn)定性等的要求進(jìn)行選擇。

２．３．２閉環(huán)控制理論與方法

微加速度計工作在開環(huán)狀態(tài)時量程相對較小，滿刻度測量時支撐梁會發(fā)生大變形而 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非線性問題，工作帶寬比較窄，這些弱點直接影響開環(huán)加速度計的性能和 應(yīng)用范圍。為了顯著提高傳感器的性能，需對其進(jìn)行閉環(huán)控制，而電容式微加速度計為 實現(xiàn)閉環(huán)控制提供了良好的接１：３。微加速度計的位移檢測電容器能夠在施加電壓的情況 下產(chǎn)生靜電力，這個靜電力就是良好的反饋要素，平衡引起慣性質(zhì)量發(fā)生位移的慣性力。 這樣電容既作為位置檢測單元，又是靜電力反饋單元，根據(jù)位置檢測的結(jié)果，分析比較 后產(chǎn)生控制電壓疊加到固定電極上或者中間極板上，利用電容的靜電吸引力將慣性質(zhì)量 拉回到平衡位置，閉環(huán)原理如圖２．５所示。通過此靜電力平衡閉環(huán)控制，能夠降低系統(tǒng) 的檢測噪聲，增加微加速度計的測量范圍，提高傳感單元的動態(tài)特性，同時避免支撐梁

中北大學(xué)學(xué)位論文 由于發(fā)生大形變而產(chǎn)生的非線性問題【堋。 （１）閉環(huán)控制原理

圖２．５電容式加速度計閉環(huán)控制原理圖

靜電反饋方式采用圖２．４所示的中間極板靜電反饋方式，這樣可以形成閉環(huán)控制。
閉環(huán)電路實現(xiàn)框圖如圖２·５所示，電路實現(xiàn)方法如圖２·６所示。 躲：

圖２．５電容式加速度計閉環(huán)檢測電路原理框圖 上圖中的偏置電壓是通過可調(diào)電阻分壓來得到的，Ｃ－Ｖ轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)電容到電壓的 線性轉(zhuǎn)換，經(jīng)差分放大電路后，實現(xiàn)了差分電容的線性放大，經(jīng)全波整流、低通濾波后 能線性地反映加速度輸入的量。 （２）閉環(huán)控制模型分析 微小差分電容檢測電路包括Ｃ－ｖ轉(zhuǎn)換電路、差分放大、全波整流電路和低通濾波電

中北大學(xué)學(xué)位論文 路。從上節(jié)分析可知，在工作范圍內(nèi)每個環(huán)節(jié)對于信號幅值面言基本上都是一個比例放 大環(huán)節(jié)，從差分電容到低通濾波之間的傳遞函數(shù)即為：

量：墨生；！鯊
ＡＣ ２Ｃ，

（２．１３）

式中：Ｊ０是差分放大環(huán)節(jié)增益；如一。是全波整流和低通濾波環(huán)節(jié)增益；珞是高頻
載波信號的幅值：ＣＩ是Ｃ—Ｖ轉(zhuǎn)換電路的反饋電容。
當(dāng)動極板偏移ｚ時，差分電容的差值為：

△ｃ：Ｃ２～ｃ１；占２ＮＳ一占堡：拈鵬１＿
‘Ｘｏ—Ｘ ｘｏ ４－Ｘ ｘｏ‘一Ｘ‘

（２．１４）

式中：Ｎ為單側(cè)動齒的數(shù)量：Ｓ為梳齒重疊面積。Ｘｏ為差分電容初始間距。 對于閉環(huán)控制，動極板的偏移相對于電容間距非常微小，即ｘＤ‰。則上式中ｘ的 二次項可以忽略不計。 聯(lián)立式（２．１５）和式（２．１６）可以求得：

Ｖｏ：—Ｋｊ＿Ｉ”＿＿Ｌ—Ｖｓ２Ｃｏ：髟
Ｘ

（２．１５）

ＬｌＸｏ

有上式可知，等式右邊所有的變量都為固定值，輸出電壓與極板位移之間的傳遞函
數(shù)為比例環(huán)節(jié)。 如果反饋電壓是測量電路的輸出電壓，則靜電力反饋單元的傳遞函數(shù)為：

壘：２魚墜；足，
％
而
’

（２．１６）

式中：‰為靜電反饋力：屹為載波信號里的直流量；４。是反饋放大增益。
明顯這個等式右邊也是常數(shù)項，靜電力反饋環(huán)節(jié)也是～比例環(huán)節(jié)�？紤]施加靜電力 反饋時差分電容間距不等的情況，有圖２。６可知：

■＝磁Ｖｏ＝磁巧工
可得靜電力：

（２．１７）

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％＝ｚ警一２警矗＝警”去嵫
則靜電力的傳遞函數(shù)即為：

隰㈣

等＝ＺＣ‰ｏＶ。（１、一矗Ｍ
％
‰

、％＆髟’

７

（２．１９）

顯然上式右邊各參量都是常數(shù)，由此可得在間距不等的情況下，線性化以后的靜電 力對反饋電壓的傳遞函數(shù)也是一個比例環(huán)節(jié)。 如果不添加任何補償和控制網(wǎng)絡(luò)，由此直接形成的閉環(huán)控制框圖即為：

圖２．７靜電力閉環(huán)反饋控制
有上圖可知系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

—Ｖｏ（—Ｓ）：————————墨二———一
Ｆｏ（ｓ）

（２．２０）

Ｍｓ２＋Ｄ（ｓ）＋（々＋髟Ｋｊ）

根據(jù)Ｒｏｕｔｈ．Ｈｔｍｖｔｉｔｚ穩(wěn)定性判斷可知，微加速度計的閉環(huán)控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的控制系
，

統(tǒng)。 很顯然，在反饋條件下工作的加速度傳感器，其量程要比開環(huán)工作時大得多，穩(wěn)定 性、線性度、精度都要高，但靈敏度將降低。可見，閉環(huán)工作的特點就是以犧牲增益為 代價來換取高的量程和其他一些性能指標(biāo)。

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２．４硅微電容式加速度計檢測電路設(shè)計
２．４．１常規(guī)微小電容的檢測

電容式加速度計的輸出電容一般只有幾皮法，并且隨著ＭＥＭＳ技術(shù)的不斷發(fā)展， 微器件的尺寸越來越小的趨勢非常明顯，其輸出電容也隨著尺寸的減小而減小。因此， 電容檢測就顯得十分重要，設(shè)計高靈敏度的檢測電路對小電容進(jìn)行檢測對于提高傳感器 的性能起著至關(guān)重要的作用。如果電路靈敏度不高，則小電容信號很可能湮沒在噪聲信 號中。因此，要求檢測電路要有足夠高的靈敏度。從目前已有的小電容檢測電路來看， 主要有以下幾種典型的方式ｆ５副： （１）將電容信號轉(zhuǎn)化成頻率信號，即輸出信號頻率的變化反映了測量電容的變化。 在這種形式的電路中大多采用振蕩器的形式，并且電路中的其他電容、電阻的實際值與 標(biāo)稱的誤差要很小，才能保證測量的準(zhǔn)確性。圖２．８是利用該法進(jìn)行小電容測量的一種 典型情況。待測電容通過恒定電流充、放電，充、放電由模擬開關(guān)控制，模擬開關(guān)的通

斷由輸出方波控制。遲滯比較器有兩個閡值電壓Ｋ＋和屹＋，兩個比較器輸出作為多路器 的輸入。從而將電容兩端的信號轉(zhuǎn)化成方波信號，輸出電壓的頻率與恒流源、比較器的
ｌ

＿ＩｚＴ閾值電壓及未知電容的電容值有關(guān)，其頻率值為，＝

２（圪＋一ｋ）Ｃ

靜 一，字 ［挑占 卜眠行
圖２．８將電容轉(zhuǎn)化為頻率信號的測量電路原理圖 （２）用相位測量法，這種測量方法以濾波器的基本原理作為測量的基本依據(jù)。在 低通濾波器中，輸出信號與輸入信號之間相位會產(chǎn)生滯后，該相位差為妒＝喀。（ｏＪＲＣ）。 如果測量電路的輸入信號頻率，電路中電阻的阻值確定的話，那么就可以利用這一關(guān)系

中北大學(xué)學(xué)位論文 來確定未知電容的電容值。 （３）采用開關(guān)電容電路，開關(guān)電容電路可以比較方便地把傳感器和測量電路進(jìn)行 集成，因此在器件向微型化發(fā)展的形式下，開關(guān)電容在小電容信號處理方面有著很大的 優(yōu)勢。利用開關(guān)電容電路，通過一定頻率的時鐘信號控制開關(guān)的通斷，使電容在一定的 時間內(nèi)充、放電，從而把未知電容轉(zhuǎn)化成電壓信號、數(shù)字信號或頻率信號。如圖２．９（ａ） 所示的電路將未知電容信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號。如圖２．９（ｂ）的電路的輸出信號為數(shù)字

信號，計數(shù)器的輸出與未知電容值成比例。
●ｌ

屺

Ｖ

Ｖ一＝魯Ｖ一

㈨拶蝣“
ｐ———一

圖２．９開關(guān)電容檢測電路 （４）采用調(diào)制解調(diào)型電路，調(diào)制解調(diào)型電路是將敏感加速度的電容變化的低頻信

號調(diào)制成高頻交流信號，經(jīng)過交流放大，然后解調(diào)還原成對應(yīng)輸入加速度變化的低頻信
號。為了測量微弱信號，必須減小緩沖器輸入端的寄生電容。普遍采用的一種敏感結(jié)構(gòu) 為差動電容敏感結(jié)構(gòu)，差動電容敏感結(jié)構(gòu)對溫度變化不敏感，有極佳的靈敏度，制造工 藝簡單。但是由于微機械電容敏感式力學(xué)傳感器的電容量在幾皮法左右，變化量更小， 要提取如此小的電容變化信號，對配套電路的要求很高。

２．４．２差分電容式加速度計檢測電路設(shè)計

因小電容輸出時信噪比較低，分立元件電路中的干擾和噪聲使得有用的輸出信號
容易淹沒在噪聲中，對于這種情況，調(diào)制解調(diào)處理是提高輸出信號信噪比的有效方法， 可以避丌低頻噪聲區(qū)。基于調(diào)制解調(diào)原理的微小電容檢測電路的基本檢測框圖如圖２．１０ 所示。 高頻載波通�？蛇x擇方波或正弦波。方波產(chǎn)生容易，且電路結(jié)構(gòu)簡單，但對其電 路性能要求較高；正弦波產(chǎn)生比較復(fù)雜，對電路的溫度性能要求較高。本設(shè)計中采用方

中北大學(xué)學(xué)位論文 波激勵。 圖中的靜電調(diào)節(jié)通過偏置電壓的作用，調(diào)節(jié)定齒與動齒的初始間距，固定初始輸出

值。通過電荷放大器實現(xiàn)Ｃ—＿ｖ轉(zhuǎn)換，全波整流后再濾除高頻載波，可實現(xiàn)解調(diào)輸出。

－’一’一‘一

圖２．１０硅微電容式加速度計檢測電路圖 下面分別介紹各模塊的功能及仿真、調(diào)試波形。 （Ｉ）方波信號發(fā)生器ｆ５６１ 其基本電路組成為：用滯回比較器作開關(guān)，Ｒｃ組成積分電路，即可組成矩形波產(chǎn)生

電路。電路圖如圖２．１ｌ所示：電路是通過電阻Ｒ和穩(wěn)壓管對輸出限幅ｔ使它們的穩(wěn)壓
值相等，則電路輸出電壓正、負(fù)幅度對稱。利用比較器和積分電路的特性即可得到矩形 波。

中北大學(xué)學(xué)位論文

圖２．１１方波信號發(fā)生器電路圖 其振蕩周期為：

卜ｚ墨ｃ蚺爭
從中我們可以看到：改變置、ｃ或塢、瑪均可改變電路的振動周期。
其調(diào)試波形如圖２．１２所示，

（２．２１）

圖２．１２測試方波波形圖 可看出上圖方波不太平滑，紋波較嚴(yán)重，后續(xù)電路要通過穩(wěn)壓管來保證方波的平滑 度。

（２）Ｃ－Ｖ轉(zhuǎn)換電路

在本電路中實現(xiàn)差分電容到差分電壓的轉(zhuǎn)換，以便進(jìn)行后續(xù)的處理，為了測試的準(zhǔn) 確性，對兩路信號的ｃ—Ｖ轉(zhuǎn)換最好使用同一芯片的不同運算放大器來實現(xiàn)，這樣其內(nèi)部 參數(shù)一致性較好，且選用一致的電阻和電容，來實現(xiàn)兩差分電容的對稱電壓輸出。 １．電荷放大器電路 測量原理是利用典型的微分電路，利用流過電容的電流與電容兩端電壓之間的微分 關(guān)系來組成微分電路，由于“虛斷”，所以之＝‘，又由于“虛地”，‰＝一‘矗＝一之Ｒ，

中北大學(xué)學(xué)位論文

所以‰＝‘Ｒ＝ｔＲ＝一Ｒｃ號筍＝一只ｃ等，即輸出電壓與輸入電壓的微分、與電容值和
電壓值成正咄錒。

圖２．１３微分電路圖 一般實用的微分電路如圖２．１３所示，也是本設(shè)計的微小電容檢測電路，將兄串接

＆１，將（ｙ并接彤＋，增加了高通濾波特性，可以抑制原始電路的高頻噪聲。通過調(diào)整（ｙ 和可的值，使輸出波形如圖２．１５所示，這樣的波形便于后續(xù)處理。
魁

圖２．１４微小電容檢測電路圖

｛
≮
、

。｛
＼

＼

ｌｖ／ｄｉｖ

／
ｙ
｜

廠
＃

／
／１

ｌＯｍｖ／ｄｉｖ

圖２．１５輸入、輸出波形圖

運放要采用具有極高輸入阻抗的運放，ｅ，為加速度計的差分電容對之一。Ｇ為標(biāo)

準(zhǔn)反饋電容，選取合適的反饋電阻Ｂ，使時間常數(shù)Ｇ邱遠(yuǎn)大于載波周期，以避免輸出

３０

中北大學(xué)學(xué)位論文 波形失真。 由運放的特性可知，反相輸入端虛地，所以寄生電容對電路的輸出沒有影響。當(dāng)運

放開環(huán)增益很大時，運放反相輸入端和正相輸入端可以近似地認(rèn)為沒有電勢差。
“１和職的關(guān)系為：

ｕ１：業(yè)ｇ！生Ｕ／
、＋ｉｗＣＦＲＦ

（２．２２）

ｆ足夠大，則Ｇ彤口１，則ｕｌ＊罷ｅ·，實現(xiàn)了Ｃ－ｖ的線性轉(zhuǎn)換，且為減小外圍
電路的寄生電容，盡量采用較高的調(diào)制頻率。 此電路也被認(rèn)為是電荷放大器電路，前面的電壓信號經(jīng)電容ｅ，轉(zhuǎn)化為電荷信號，

經(jīng)電荷放大器，再轉(zhuǎn)化為電壓信號，ｃ；、島和運放構(gòu)成電荷放大器，Ｇ和砟相并為
低通濾波，其濾波頻率為１／２萬Ｒ，ｃ，，所有能通過頻率的疊加為所需要的波形，具體可

通過仿真來調(diào)配電容和電阻值，Ｇ的大小決定信號的靈敏度，彤越大越好，來穩(wěn)定輸
出。

２．Ｔ型電阻網(wǎng)絡(luò)簡介 在進(jìn)行電荷放大器電路設(shè)計時，為了保證一定的轉(zhuǎn)換精度和較大的適應(yīng)范圍，要求 轉(zhuǎn)換器有低的輸入阻抗及輸出阻抗。 由于運算放大器的開環(huán)輸入電阻不是無窮大而是一個有限值，它本身的輸入偏置電 流Ｉ。不為零，所以總是有誤差存在，因此為了獲得高精度的電荷放大器，必須選用開環(huán)

輸入電阻高、Ｉ。小的場效應(yīng)晶體管輸入型運算放大器。但這種運算放大器的Ｉ。會隨溫度
上升而成倍增加。采用Ｔ型網(wǎng)絡(luò)電路組成的電荷放大電路能取得很好的效果【５８】。 有焉、局和塢構(gòu)成的“Ｔ型”電阻網(wǎng)絡(luò)等效電阻為：

‰＝墨＋丟弓＋局

（２．２３）

而輸入端電阻很小，主要有墨產(chǎn)生的噪聲電壓決定，故Ｔ型電阻網(wǎng)絡(luò)電路中噪聲電

中北大學(xué)學(xué)位論文 壓可以得到有效的降低。

圖２．１６

Ｔ型電阻網(wǎng)絡(luò)電荷放大器示意圖

這樣，就組成了低噪聲前置Ｃ—Ｖ轉(zhuǎn)換電路，在電容大小相等時，其電路輸出如下圖 所示：

圖２．１７經(jīng)Ｃ—Ｖ轉(zhuǎn)換后的兩路電壓輸出波形圖 通道１和通道２分別為差分電容式加速度計的兩端輸出結(jié)果，這樣的波形類似于正弦 波，便于后續(xù)處理。 （３）反相電路和反相加法運算電路

中北大學(xué)學(xué)位論文

５ｌ置

圖２．１８反相電路和反相加法運算電路 上圖為實驗中所設(shè)計的反相電路和反相加法運算電路，其中反相電路實現(xiàn)一路信號 的反相輸出，其反相前后的波形如下圖所示：

圖２．１９反相電路波形圖 反相加法運算電路實現(xiàn)ｏｕｔＣ．Ｉ和ｏｕｔＣ２相加后再反相放大輸出，其結(jié)果經(jīng)放大２００倍 后，輸出結(jié)果如圖所示：為減小低頻噪聲的影響，一般在解調(diào)前放大較大的倍數(shù)。

圖２．２０反相加法運算電路輸出波形

３３

中北大學(xué)學(xué)位論文 整個電路實現(xiàn)了兩路信號ｏｕｔＣｌ和ｏｕｔＣ２的差分放大，實現(xiàn)了電容式加速度計的差 分輸出。 （４）全波整流電路１５９】
＂

圖２．２１全波整流電路 上圖中ｏｕｔ２是前級差分放大得到的，ｏｕｔｌ是輸出的方波信號，幅值為（一Ｕ．＋ｕ）， ｏｕｔｌ在二極管單向?qū)ǖ淖饔孟录拥胶竺嫒龢O管柵極上的電壓為（－Ｕ．Ｏ．７）．當(dāng)電壓一ｕ 作用在三極管的柵極上時，該三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)０．７ｖ的電壓作用在三極管的柵 極上時，該三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。 這樣全波整流電路就等效于下面兩種情況：
Ｒ２２

（ａ）三極管截止時的等效電路圖

（ｂ）三極管導(dǎo)通時的等效電路圖 圖２．２２全波整流電路等效圖

中北大學(xué)學(xué)位論文 �。遥玻保剑遥玻玻畡t

枷《墨。ｏｕ咖ｔ２＜：
形如下圖所示：

汜２４，

實現(xiàn)了波形整流。經(jīng)后續(xù)的低通濾波及反相放大來實現(xiàn)解調(diào)出被測信號。其仿真波

圖２．２３全波整流電路仿真圖 其中，用運放Ａ１所具有的比較器功能來實現(xiàn)正弦波到方波的轉(zhuǎn)換，等效于電路設(shè)

計中的ｏｕｔｌ端。從仿真結(jié)果可看出，其實現(xiàn)了全波整流功能。

２．４．３電路性能測試
電路測試可用與微機械加速度計表頭檢測電容相當(dāng)?shù)牡刃щ娐罚捎诿舾性目?電容很小，約為ｌｐＦ左右，因現(xiàn)有市場上的小電容最小為ＰＦ量級，所以，用兩個ＰＦ量 級電容組成差分電容，并用４２８４Ａ高精度ＬＲＣ表進(jìn)行了差分電容的標(biāo)定，測出其最小 差分量級為１０。６ Ｆ，逐漸增大其差分值，最大為１ＰＦ。

中北大學(xué)學(xué)位論文

圖２．２４線性擬合直線 表２．１測試數(shù)據(jù)
差分電容 值（ＰＦ） 輸出電壓 值（ｖ）
０．０５ ０２ ０．３７ ８４ Ｏ．１０ ２１ Ｏ．４２ ３２ ０．１５ １０ ０．４５ ６０ Ｏ．２１ ０５ Ｏ．５１ ３０ Ｏ．２９ ８０ Ｏ．６０ ５ｌ ０．３９ １０ Ｏ．７２ ６７ ０．５ｌ ６３ Ｏ．８６ ３０ Ｏ．６ｌ ０８ ０．９７ ６ｌ Ｏ．６９ ６１ １．１２ ５０ ０．８０ ２２ １．２５ ６２ Ｏ．８９ ９５ １．３６ ８０ １．０９ １０ １．４５ ６０

經(jīng)測試可知其線性度為１．１３２５，非線性度小于０．５％。

中北大學(xué)學(xué)位論文

３隧道式加速度計檢測技術(shù)研究
３．１隧道檢測的理論基礎(chǔ)——隧道效應(yīng)

從量子力學(xué)理論可知，由于電子的隧道效應(yīng)，導(dǎo)體中的電子并不完全局限于表面邊 界之內(nèi)，但電子密度并不在表面處突變?yōu)榱�，而是在表面以外呈指�?shù)形式衰減，衰減的 長度約１ ｎｍ。因此，只要將原子線度的極細(xì)探針及被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極，當(dāng) 樣品與針尖的距離接近時（＜ｌｍｎ），它們的表面電子云就可能重疊，如圖３．１所示。

若在樣品與針尖之間加一微小電壓‰，電子就會穿過兩個電極之間的勢壘，流向另一
個電極，‘形成隧道電流１６０ｌ。 這種隧道電流Ｉ的大小是電子波函數(shù)重疊程度的量度，與針尖和樣品之間的距離ｘ 以及樣品表面平均勢壘的高度巾有關(guān)，電流Ｉ與ｘ之間滿足如下關(guān)系：
一
”

Ｉ ｏｃｋｌＶ，ｅ一４、／妒 式中Ｉ——隧道電流，Ａ。 形——隧道結(jié)上的偏置電壓，ｖ ５ ４——常數(shù)，口＝（４７【／ｈＸ２ｍｃ）“２＝１０．２５／ｎｍ（ｅｖ）”２，無量綱：

（３．１）

由——隧道結(jié)勢壘高度，ｉｎ；
口

ｘ——兩金屬電極間的問距，Ａ。

圖３．１隧道效應(yīng)圖

３７

中北大學(xué)學(xué)位論文

由此可見，隧道電流Ｊ對針尖與樣品表面之問的距離Ｘ非常敏感。如果Ｘ減小
０．１ｎｍ，隧道電流Ｉ就會增加一個數(shù)量級，即ｌＯ倍。隧道電流式加速度計就是基于這樣 的原理來檢測由加速度引起的位移信號的。

３．２隧道式加速度計的噪聲

隧道加速度計和其他隧道傳感器的研究中都觀測到明顯的１／ｆ噪聲１６１蚓，目前，對
隧道式加速度計ｌ／ｆ噪聲的成因尚沒有定論，美國東北大學(xué)Ｊｉａｎｃｈａｏ ｗａｎｇ等人對表面微 機械ＭＥＭＳ器件中的隧道噪聲作了專門的研究，發(fā)現(xiàn)在真空下隧道噪聲有明顯降低１６射。 Ｓｔａｎｄ大學(xué)的Ｊｏｈｎｇｒａｄｅ等人通過改善傳感器的結(jié)構(gòu)，有效降低了隧道傳感器中的噪聲 咿Ｊ，說明結(jié)構(gòu)中ｂｉｍｏｒｐｈ效應(yīng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能是隧道加速度計熱噪聲的主要原因。

Ｓｔａｎｄｏｒｄ大學(xué)最新的研究成果則大幅度降低了１／ｆ噪聲，５Ｈｚ以上的分辨率小于
２０ｎｇ／ｘ／－Ｈｚ，因而認(rèn)為隧道傳感器中表現(xiàn)出的低頻噪聲是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的缺陷造成的， 而不是隧道檢測方式自身的固有特性舊Ｉ。 隧道加速度計的主要噪聲源包括：隧道電流固有噪聲、電阻熱噪聲、運放輸入等效 噪聲、機械熱噪聲等。以上這些噪聲源中，隧道噪聲和運放輸入等效噪聲與其他兩類噪

聲相比，一般可以忽略不計，適當(dāng)設(shè)計Ｉ．ｖ變換電阻，也可以便電阻等效加速度噪聲遠(yuǎn)
低于機械熱噪聲，因而機械熱噪聲是結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計中需要主要考慮的噪聲源。 采用真空封裝可以在不增加表頭工藝復(fù)雜度和不降低檢測質(zhì)量塊質(zhì)量的情況下降低 機械熱噪聲，但真空封裝工藝不易實現(xiàn)批量制造，必然帶來加工成本的升高，而且漏氣 率以及真空度的保持等問題都將影響器件的可靠性。

３．３隧道式加速度計的微小電流檢測電路設(shè)計

根據(jù)隧道式表頭的檢測原理，設(shè)計了如圖３．２所示的檢測電路。

中北大學(xué)學(xué)位論文

圖３．２隧道式加速度計外圍檢測電路設(shè)計原理圖

Ｉ—Ｖ轉(zhuǎn)換電路將隧道電流轉(zhuǎn)換成電壓，然后通過低通濾波器來濾除高頻干擾，再經(jīng) 放大電路將電壓放大，放大后的電壓經(jīng)電壓反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋至隧道加速度計。偏置電壓
電路為隧道加速度計提供５０ｍＹ左右的偏置電壓，以保證隧尖與對電極之間不發(fā)生如場 發(fā)射等非檢測隧道效應(yīng)。整個電路設(shè)計的關(guān)鍵是Ｉ—Ｖ轉(zhuǎn)換電路和電壓反饋控制電路。

３．３．１

Ｉ－Ｖ轉(zhuǎn)換電路

因隧道加速度計的參考地為隧道電流端的電壓。隧道電流本身所具有的Ｉ／ｆ噪聲和

其它噪聲，使隧道電流輸出端的電壓值存在ｍＶ級的噪聲電壓，以此作為反饋端和偏置
端的參考地，勢必影響整個隧道式加速度計的檢測精度。故在本設(shè)計中，要盡量降低參 考地的噪聲和外界干擾。可利用運算放大器的“虛短”原理來實現(xiàn)，故前級放大電路設(shè) 計成如下形式：
憎

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圖３．４ Ｉ。Ｖ轉(zhuǎn)換電路的仿真模型 通過反饋電阻Ｒ８將隧道電流轉(zhuǎn)換為隧道電壓。Ｃ９起緩沖輸出的作用，Ｃ９的值應(yīng) 較小，因其決定信號的靈敏度。若通過選擇較大容值的Ｃ９會影響信號的響應(yīng)時間，使 輸出波形失真。同時，也對運放提出了較高的要求，要求偏置電流小，且最好對低頻噪

聲如１／ｆ有抑制作用的低噪聲運放。
隧道加速度計的缺點之一是存在較高的１／ｆ噪聲，在半導(dǎo)體器件中，ｌ／ｆ噪聲主要是 由半導(dǎo)體材料表面性質(zhì)所引起的。表面能態(tài)中載流子的激勵和復(fù)合，以及表面狀態(tài)密度 等是影響１／ｆ噪聲的主要因素。一般的放大器在低頻工作時會帶來很大的低頻噪聲，經(jīng) 了解，選用ＡＤ８５５ｘ系列放大器，因為ＡＤ８５５ｘ系列放大器有自動偏置調(diào)整的功能，半 導(dǎo)體管帶來的低頻噪聲會像對待固有偏置一樣加以抑制。這使得ＡＤ８５５ｘ系列放大器可 以用于低頻甚至直流信號而不會帶來大的低頻噪聲。

３．３．２主放大電路

ｉ 圖３．５主放大電路圖 電阻Ｒ８與ＸＩＡ的１管腳相聯(lián)接，通過Ｘ１Ｂ，實現(xiàn)同相放大；ＣＫＤＹ端為參考電 壓端，反相放大；電阻Ｒ１２和電容Ｃ１３，組成一級無源低通濾波器，來大致設(shè)定隧道式

中北大學(xué)學(xué)位論文 加速度計的頻響范圍。因放大倍數(shù)較蓓靠需要兩極放大。通過兩極放大后，將ｍＶ級的 電壓，放大為伏量級，便于進(jìn)一步的信號處理。具體的放大倍數(shù)有反饋電壓的大小來決 定。

３．３．３反饋電路

７

圖３．６反饋電壓電路圖 反饋電路的作用是將Ｉ－Ｖ轉(zhuǎn)換并放大后的電壓信號反饋回去，作為隧道加速度計的 驅(qū)動電壓。

在剛上電時，高壓Ｖ２０以靜電力的形式作用于質(zhì)量塊與對極板之間，將極板拉近到
能產(chǎn)生隧道電流的間距。也就是說，隧道式加速度計在開電瞬間完成了從開環(huán)到閉環(huán)工 作模式的轉(zhuǎn)變。為保護(hù)表頭，需要上電時能緩慢地拉進(jìn)隧尖與對電極之間的距離。故采 用Ｒ１９和Ｃ２０串聯(lián)的阻容網(wǎng)絡(luò)，來緩沖反饋端的電壓變化，圖３．７和圖３．８為添加阻容 網(wǎng)絡(luò)前后驅(qū)動電壓的對比。

圖３．７原電路上電時的電壓波形

圖３．８添加阻容剛絡(luò)后的波形

４ｌ

中北大學(xué)學(xué)位論文 隧道電流遺過廷放、電阻轉(zhuǎn)化為對廈的負(fù)相電ｊ盤值，電ｊ盤經(jīng)過內(nèi)微Ｉ司相主放大后， 經(jīng)過電阻Ｒ１７反饋回驅(qū)動電壓端，使隧尖在很小的范圍內(nèi)動態(tài)變化。首先計算反饋電壓 信號與放大電壓信號之間的關(guān)系，根據(jù)疊加原理：

＿＝矗面‘‰氏＋‰）
此時，

（３．２）

在上電時，調(diào)節(jié)可調(diào)Ｆｇ阻Ｒ，，，使■達(dá)到閾值電壓，整個電路的放大倍數(shù)為一Ａ，

‰。瓦毒％恥４‰忍】
轉(zhuǎn)換為隧道電壓為‰，

（３．３）

當(dāng)有單位加速度輸入時，載荷的慣性力為ｍｘｌｇ，設(shè)此時隧道電流為‘。，經(jīng)大電阻

此時反饋電壓的值為：＿：＝ｉ０面‘‰焉。一４（％。ｒ一‰）墨，】
隧道加速度計的反饋電壓所產(chǎn)生的靜電力為：

（３．４）

肚１（¨昌ｅｏｘＡ２ （‰＋‰）２ 。了礦２
‰口‰，故在有隧道電流產(chǎn)生時，反饋電壓所產(chǎn)生的靜電力為

（３．５）

在產(chǎn)生隧道電流時，隧尖與對電極之間的間距為ｎｎｌ量級，遠(yuǎn)小于隧尖高度，ｌｌｐ

，毛詈啊
在反饋度為ｌｇ時，即Ｆ＝ｍｇ

＠ｓ，

圭詈｛志呲ｓ叫‰噸川２＝愕
把已知參數(shù)帶入，其中‰ｒ＝３５ｍＶ，
ｍ＝１．７６７ｘ１０‘７堙，
Ａ＝９８０，ｕｒｎｘ９８０ｋｔｍ，ＥＥｏ＝８．８４ｘ１０。２，閉值電壓為９．３Ｖ，足‘＝５．１ｘ１０３Ｑ，

（３’７）

‰＝３／ｚｍ，

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掣單：７．３８４ 墨６＋墨７
與閩值電壓時的方程聯(lián)立得：

（３．８）

孕２嬰一＿３５ｘ１０－３：１．２６
４‰×焉， ‰

（３．９）
。。

其中，置，在閾值電壓確定后就為定值，其值與放大倍數(shù)的關(guān)系為：

焉，：＝警凳（３．１０） 螞，２萬五Ｘ反薩
’

帶入得：｛王等一生翌萼蘭芝：１．２６（３．１１） Ａ Ｘ‰ ‰
隧道電壓的范圍為：１０ｍＶ－５０ｍＶ，則放大倍數(shù)４與‰的關(guān)系如圖３．９所示，在實
際廊用申．前女倍斯廊小千空際干芹直信．

圖３．９放大倍數(shù)４與‰的關(guān)系圖
３．３．４穩(wěn)壓模塊

為了能用同一電池供電，需要對電源進(jìn)行升壓和降壓處理。要求穩(wěn)壓模塊的噪聲要

小，尤其是低頻噪聲一定要小，選用開關(guān)型穩(wěn)壓源時，其高頻噪聲對電路的影響不大， 可不加后續(xù)的直流穩(wěn)壓模塊。升壓到２０Ｖ的芯片采用凌特的ＬＴｌ６１５ＥＳ５。

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圖３．１０高壓模塊產(chǎn)生電路圖 因隧道式加速度計所需要的偏置電壓和參考電壓都只有幾十ｍＶ，故直流降壓后的 電壓越小越好，故選用能降壓到ｔ．２Ｖ的芯片，ＬＴ３０２０ＥＭＳ８．１．２，其電路圖為：

圖３．１１降壓模塊電路圖

３．４．微小電流的性能測試

與隧道式加速度計表頭聯(lián)立，來測試所設(shè)計的檢測電路。隧道式加速度計為北京大 學(xué)微電子所研制，為應(yīng)用的需要，所裝配的三軸加速度如圖３．１２所示：

圖３．１２三軸隧道式加速度計

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因為隧道式加速度計的測量范圍為±ｌｇ，用分度盤來測試，共有１２個測試點，即
每隔３０度計量一次數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)圖形如圖３．１３所示。

圖３．１３十二點測試數(shù)據(jù)擬和曲線 其三軸隧道式加速度計用分度盤標(biāo)定數(shù)據(jù)如表３．１所示： 表３．１三軸加速度計測試數(shù)據(jù)

橫向靈敏度比 分辨率／ｖ＊ｇ“ Ｘ軸 Ｙ軸 Ｚ軸 擬和誤差／ｖ＊ｇ’１
／％
１．２２６３ １．１３５８ １．２６５９ Ｏ．１１９４３ ０．０１５１４４ Ｏ．０１３２７ ９．７４ －１．２０

—１．１７

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４硅微電容式、隧道式加速度傳感器的測試
４．１硅微電容式加速度傳感器的測試

將所設(shè)計的微小電容檢測電路作為梳齒電容式加速度計表頭的外圍檢測電路，并進(jìn) 行各種測試，來檢測電路及表頭的性能。

４．１．１傳感器的靜態(tài)線性度測試

加速度傳感器的靜態(tài)特征表示為傳感器在被測輸入量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的 輸入一輸出關(guān)系。 可以通過如下方法檢測加速度計的線性：將加速度計水平固定在三軸轉(zhuǎn)臺上，調(diào)節(jié)

偏置電壓使輸出為零。然后將其旋轉(zhuǎn)一定角度，使Ｘ軸與水平面成ａ角，則此時加速度
為ｇｘ ｓｉｎａ（圖４．１）。分別�。釣椤溃保怠�、＋３０。、±４５。、＋６０。、＋７５。、±９０。，

用高精度萬用表讀取輸出值，標(biāo)于坐標(biāo)圖上得到圖４．２�？梢钥吹�，加速度計的線性度為
ｌ，１２３２ｖｏｇ～。

圖４．１傾斜角度ａ與加速度的關(guān)系

中北大學(xué)學(xué)位論文 表４．１傳感器三軸轉(zhuǎn)臺測試數(shù)據(jù)
角度／。 加速度 值／ｇｎ 輸出電 樂值／ｖ
—ｌ－ｌ ２９ 一９０ —ｌ —７５ 一０．９ ６６ 一ｌ＿０ ９０ —６０ —０．８ ６６ －０．９ ７３ —４５ 一Ｏ．７ ０７ —０．７ ９６ —０．５ ６１ －３０ 一Ｏ．５ 一１５ —０．２ ５９ —０．２ ＋１５ Ｏ．２５ ９ ０．２８ ９ Ｏ．５６ ０ ＋３０ Ｏ．５ ＋４５ Ｏ．７０ ７ ０．７９ ２ ＋６０ ０．８６ ６ ０．９６ ９ ＋７５ ０．９６ ６ １．０８ ２ Ｌ １２ ０ ＋９０ １

９２

ｉ·ａ

ｌ Ｏ．５

一警７ ．蘭

一

…

…

／

≥／ｊ
ｌ ０．５ １ １．

－Ｉ

．ｊ—ｔ妒菇

／一１

加速魔

圖４．２線性擬和直線圖

４。Ｉ．２傳感器的靜態(tài)噪聲測試

在不施加任何掃描信號，梳齒式微硅加速度計處于零位置時的系統(tǒng)輸出反映了硅微 加速度計系統(tǒng)在電路噪聲作為輸入時的頻率響應(yīng)，用ＨＰ３５６７０Ａ動態(tài)分析儀測量硅微加 速度計系統(tǒng)的噪聲等級。

圖４．３所示是測量到的加速度計輸出噪聲譜密度曲線，在此測量中的幅度值——包

含在標(biāo)記讀出中的數(shù)值——已被歸一化到１Ｈｚ帶寬。其中ｌＯＯＨｚ處的峰值屬于工頻電
源電壓的干擾，讀數(shù)時要去除ｌ／廠噪聲和工頻電壓電源的干擾，讀取其基低噪聲指標(biāo)，

基低噪聲譜密度為ｏ．０５冊∥√瓦，按照下面公式計算輸出噪聲：

‰專
式中Ⅳ�！粶y傳感器輸出噪聲，—訾；
、『Ｈｚ

㈤。，

中北大學(xué)學(xué)位論文

是——傳感器的靈敏度，ｍＶ／ｇ。 經(jīng)傳感器的線性度測試其靈敏度為１ｔ２３．２ｍｖ／ｇ～，則被測電容式傳感器的輸出噪聲

譜密度為４４．５ｕｇ／，／－ｆｆ三。
啪 嘶 叫
≈ｊ毫重

Ⅲ ㈨ Ⅲ ㈨
５ａｏ

１喁

１５００

２咖：５∞３０∞

ｆ№

圖４．３硅微加速度計靜態(tài)噪聲

４．１．３傳感器的動態(tài)測試

傳感器的動態(tài)測試采用的是德國ＴＩＲＡ公司數(shù)字式電動振動試驗系統(tǒng)ＢＡＡｌ０００，它 包括振動臺、功率放大器和ＰＣ機控制等設(shè)備，此傳感器動態(tài)測試時設(shè)備的連接示意圖
如圖４．４所示：

４８

中北大學(xué)學(xué)位論文

圖４．４振動測試系統(tǒng) 本振動試驗系統(tǒng)是包括標(biāo)準(zhǔn)傳感器的閉環(huán)試驗系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出的值也經(jīng)功率 放大器形成反饋，由計算機軟件經(jīng)分析后以達(dá)到精確控制。電容式加速度計和標(biāo)準(zhǔn)傳感 器都固定在振動臺的臺面中央，電容式加速度計輸出的電壓經(jīng)高精度表讀出數(shù)據(jù)。 在此傳感器的動態(tài)測試中，用振動臺加載同一頻率的不同加速度值，其測試數(shù)據(jù)如 表２．３所示，其擬和直線如圖４．５所示。 表４．２振動臺標(biāo)定數(shù)據(jù)

所Ｎｇ值／ｇ 輸出電壓值
／Ｖ

０．５ ０．５６５ ０

ｌ Ｉ．１８４ ２

１．５ １．６６８ ５

２ ２．２４５ ６

２，５ ２．８１５ ０

３ ３．３３５ ２

３．５ ４．００８ ２

４ ４．４９９ ２

４．５ ５．０５８ ７

５ ５．６１８ ２

中北大學(xué)學(xué)位論文

圖４．５擬合直線圖

經(jīng)測試可知電容式加速度傳感器的線性度，即傳感器的靈敏度為１．１２２ｖ／ｇ～，與靜 態(tài)標(biāo)定值基本吻合。

４．１．４傳感器的頻晌測試

即動念校準(zhǔn)傳感器的頻響范圍。采用ＴＩＲＡ公司數(shù)字式電動振動試驗系統(tǒng)來完成傳 感器的頻響測試。將被測傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器牢固地安裝在校準(zhǔn)臺上，將被測傳感器輸 出的值連接到振動臺的控制器，敏感軸垂直于安裝臺面。振動臺以ｌｇ的恒定加速度從振

動臺的下限頻率掃頻到振動臺的上限頻率，由系統(tǒng)軟件完成ｌ等ｆ，并繪制的幅頻特性曲
線如下：找出幅度變化至ｌＪ３ｄＢ的兩個頻率點，這兩個頻率點之間的頻率范圍，即為傳感
器的頻率響應(yīng)范圍。

５０

中北大學(xué)學(xué)位論文 Ｔｒａｎｓｍ ｉｓｓｉｂｉｌｉｔｙ《ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ＝Ｃｈｌ） １．３…１一Ｉ一…一一一一１’。。一ｒ １＿一 １。一１一ｒ。ｌ一一ｒｒ。一一一一ｌ一一一ｒ一１
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１００

１０００

４∞０

Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（Ｈｚ） 圖４．６傳感器的頻響測試圖

根據(jù)此測試曲線，可知傳感器的頻響范圍為０－－４０００Ｈｚ，一般使用其動態(tài)性能較好
的頻率段，２０Ｈｚ一１ １０Ｈｚ。

４．１．５傳感器的動態(tài)噪聲測試

當(dāng)加速度計對某一頻率的加速度輸入敏感時，其輸出電壓在頻率內(nèi)理論上應(yīng)該只有
一個輸出分量，在其他范圍內(nèi)輸出均為０，而實際上由于噪聲的存在，加速度計的輸出 在其他頻域點不為０，這個分量就表征了加速度計的動態(tài)噪聲等級。 試驗中，為了測量加速度計的動態(tài)噪聲等級，讓振動臺以某工作頻率作正弦振動， 測得加速度計輸出信號的功率譜密度。

下圖為傳感器在１６０Ｈｚ下的動態(tài)噪聲功率譜密度為Ｏ．０５ｍＶ／√Ｈｚ。

中北大學(xué)學(xué)位論文

㈨
御

∞

ｇｚＩ七，、Ｅ

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Ｏ

５００

１０００

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ｆｎ＇ｌＺ

圖４．７傳感器在１６０Ｈｚ振動下的動態(tài)噪聲功率譜密度

４．２硅微隧道式加速度計的仿真與測試

４．２．１隧道式加速度計的系統(tǒng)仿真

所設(shè)計的隧道式加速度計與檢測電路如圖３．２所示，由于隧道式加速度計的成品率 較低，且閉壞系統(tǒng)控制的難度較大，在設(shè)計電路原理框圖的基礎(chǔ)上，先進(jìn)行系統(tǒng)仿真， 來指導(dǎo)電路設(shè)計。 在系統(tǒng)分析中，采用時域分析和頻域分析相結(jié)合的方法。一個動態(tài)系統(tǒng)的特性常用 典型輸入下的時間響應(yīng)來描述。所謂響應(yīng)是指零初值條件下某種典型輸入函數(shù)作用下控 制對象的響應(yīng)，控制系統(tǒng)中常用的輸入函數(shù)為單位階躍函數(shù)和脈沖激勵函數(shù)。頻域分析 法是利用系統(tǒng)的頻率特性來分析系統(tǒng)的方法。頻率特性函數(shù)是系統(tǒng)在靜態(tài)時的正弦輸出 信號（復(fù)數(shù)信號）與正弦輸入信號（復(fù)數(shù)信號）之比，它可以用圖形的形式表示，因此 可以方便地得到系統(tǒng)的穩(wěn)定性及動態(tài)特性等～些信息。頻域分析法通常包括：對數(shù)頻域 特性法（波特圖法）、極坐標(biāo)法（奈奎斯特圖）和頻率響應(yīng)法【６５ｌ。

４．２．２常壓下的系統(tǒng)仿真

中北大學(xué)學(xué)位論文 常壓下的系統(tǒng)仿真模型。如圖４．８所示：

圖４．８常壓下的ｓｉｍｕｌｉｎｋ系統(tǒng)仿真模型 前向環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)（帶濾波）：
４．４９２×１０１。 １ ０．２×１０－３Ｓ＋１

Ｇ（Ｓ）＝

（４．２）

可通過時域特性分析，來確定大致的反饋深度。在分析時，選取了三個反饋系數(shù)， 即確定了兩個反饋系數(shù)范圍。 在反饋系數(shù)為９．４ｘｌＯ＿６時，即有ｌＧ的加速度輸入，相當(dāng)于５．４２８（３的加速度負(fù)反饋 電路的閉環(huán)階躍響應(yīng)如下圖所示：

圖４．９在反饋系數(shù)為９．４ｘ１０－６時，電路的閉環(huán)階躍響應(yīng)

中北大學(xué)學(xué)位論文 出于反饋系數(shù)設(shè)置過大，因此出現(xiàn)超調(diào)的情況，引起系統(tǒng)的震蕩，需要調(diào)整反饋系 數(shù)后的階躍響應(yīng)。 設(shè)置反饋系數(shù)為３．４６３ｘ１０－７，即在１Ｇ的加速度輸入下的反饋力相當(dāng)于０．２Ｇ的加速 度輸入，階躍響應(yīng)如下圖：其穩(wěn)態(tài)值為４．３６１１７。 反饋系散為３４剛０７

圖４．１０在反饋系數(shù)為３．４６３ｘ１０。時電路的閉環(huán)階躍響應(yīng) 當(dāng)反饋系數(shù)為１．７３２ｘ１０．６時，即在ｌＧ的加速度輸入下的反饋力相當(dāng)于ｌＧ的加速度 輸入階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)值。其穩(wěn)態(tài)值為０．９７７６。
反饋幕欺為１
７３２＂１０＂６

圖４．１ｌ反饋系數(shù)為１．７３２ｘ１０。時的階躍響應(yīng)

中北大學(xué)學(xué)位論文 從以上三種情況的比較可知，可選用反饋深度小于１９，這樣其系統(tǒng)較穩(wěn)定，且系統(tǒng) 的靈敏度較高。

４．２．３真空封裝時的系統(tǒng)仿真

Ｇｃ班器Ｓ １０×贏０２
、’

當(dāng)真空封裝時，系統(tǒng)中不存在空氣阻尼。去掉空氣阻尼以后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： （４．３）

２＋． １

０３ ×

’

．×

１０－３Ｓ

＋１

整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

Ｇ（ｓ）＝砭磊予可磊丐４．４瓦９２麗ｘ１可０ｌ。而再而麗；
階躍響應(yīng)曲線如下圖所示：

（４．４）

圖４．１２真空下電路的單位階躍響應(yīng)圖 去阻尼后的閉環(huán)階躍響應(yīng)，出現(xiàn)等幅振蕩現(xiàn)象，故要采取措施，增加電阻尼。

４．２．４

ＰＩＤ設(shè)計仿真

（１）ＰＩＤ簡介 在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱

中北大學(xué)學(xué)位論文 ＰＩＤ控制，又稱ＰＩＤ調(diào)節(jié)。ＰＩＤ控制器問世至今已有近７０年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、 穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)我們不完全了解一 個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用ｌ ｉＤ控制 技術(shù)。ＰＩＤ控制，實際中也有ＰＩ和ＰＤ控制。ＰＩＤ控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比

例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的【６６石７】。
１．比例（Ｐ）控制

比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。
當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Ｓｔｅａｄｙ．ｓｔａｔｅ ｅｒｒｏｒ）。 ２．積分（Ｉ）控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制
系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差 系統(tǒng)（Ｓｙｓｔｅｍ、Ⅳｉｍ Ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ Ｅｒｒｏｒ）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分 項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便

誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)
一步減小，直到等于零。因此，比例＋積分（ＰＩ）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài) 誤差。 ３．微分（Ｄ）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)

系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存
在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（ｄｅｌａｙ）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落 后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變“超前”，即在誤差接近零時， 抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的， 比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化 的趨勢，這樣，具有比例＋微分的控制器。就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零， 甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比 例＋微分（ＰＤ）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 （２）用ＰＩＤ改進(jìn)系統(tǒng)性能的仿真 在反饋回路增加ＰＤ控制后系統(tǒng)如下圖所示：

中北大學(xué)學(xué)位論文

ｊ廠————————————————————Ｆ＝ｚ習(xí)�。� ””“。一 —ｓ一一ｍ ｌ ｌ

Ｌ—尋一醚習(xí)
ｌ

～…一正卜｛ｑ—

去掉阻尼后，從ｍａｉｎ

ｓｐｒｉｎｇ

ｓｙｓｔｅｍ中的得到的反映隧道間距的電流信號，通過１０Ｍ

日（ｓ）：—堅羔娑：一。（６．３２。１０。ｓ＋１） １．７９７×１０“×９．８、
、７ ７

（４．６）

ａ（ｓ，＝器×志
Ｇｔ班再高舞‰

∽，，

∽，，

具有相似性，可以認(rèn)為在反饋環(huán)節(jié)加上ＰＤ控制相當(dāng)于給系統(tǒng)加上了電阻尼。 反饋環(huán)節(jié)靜向傳遞函數(shù)為：

郇，＝再殺羆‰×贏 Ｇｌ∽＝齋‰
Ｈ（ｓ）＝９．４ｘ１０４（６．３２ｘ１０“ｓ＋０．０１）

中北大學(xué)學(xué)位論文

∽ｔ∞

（４．…

反饋環(huán)節(jié)反饋傳遞函數(shù)為：
（４．１２）

計算反饋部分的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

酈）＝麗靠罷篇麗
系統(tǒng)有更好的頻率響應(yīng)和閉環(huán)抗過載能力。 ４．２．５隧道加速度計的開環(huán)測試

（４’１３）

可以看出ＰＤ控制的反饋部分在完成從位移到電壓輸出的轉(zhuǎn)換（４．５８４ｘ１０７）的同 時，成功的加上了電阻尼（Ｏ．２７２３），相當(dāng)于增加了彈簧系統(tǒng)的鋼度系數(shù)（６１３．９），使得

先對北京大學(xué)加工的一批加速度計表頭進(jìn)行開環(huán)Ｉ．Ｖ特性測試，以確定表頭的好壞，
能否產(chǎn)生隧道電流，也可反映表頭的性能。能產(chǎn)生隧道電流的表頭的Ｉ．Ｖ特性曲線如圖 ４．１５所示： 測試設(shè)備：ＨＰ４１５６Ｂ 參數(shù)設(shè)置如下： 掃描電壓：Ｖｌ＝９．２，－－９．５Ｖ： 掃描步長：ＩｍＶ／ｓｔｅｐ； 隧道偏壓：５０ｍＶ； 飽和電流：ｌｕＡ：

５８

中北大學(xué)學(xué)位論文

圖４．１４開環(huán)Ｉ．Ｖ特性曲線

由測試曲線可知當(dāng)驅(qū)動電壓達(dá)在９．３嘰９．４０ｖ之間，流經(jīng)隧道針尖對電極的電流有顯
著的增加趨勢，可以認(rèn)為出現(xiàn)隧道電流。

由電極的驅(qū)動關(guān)系：Ｆ：委竺譬ｖ：
Ｚ ｘｆｂ

（４．１４）

導(dǎo)出廿：—８６０ＴＡ礦．ＡＶ
ｘ呻

“．１５）

世＝ｋｈ

（４．１６） （４．１７）

七缸：．８ｃｏＡ礦．ＡＶ
Ｘｔｔｐ

ＡＶ加吃１
缸
把設(shè)計參數(shù)
Ｋ Ａ Ｘｔｉｐ １８３Ｎ／ｍ ６ＥｏＡ Ｖ

（４．１８）

９８０ｕｍ＊９８０ｕｍ ３ｕｍ

帶入（３。１３）式得到：

中北大學(xué)學(xué)位論文

坐：—１．９３７—８０１０ｓ
驅(qū)動關(guān)系：

（４．１９）

把隧道電流的閾值電壓９．３２１Ｖ帶入式（４．１９），可以得到在驅(qū)動電壓為９．３２１Ｖ時的

些：０．２０７９１１０。 ０２．４（ ｈ）
ｘ

當(dāng)掃描電壓步長為ｌｍＶ時，每加一步電壓隧道間距的變化為Ｏ．４８１０Ａ。 在完全按照設(shè)計和加工參數(shù)的情況下，計算得到的閾值電壓為２０．５６Ｖ，與實測的平 均９．３２１Ｖ有較大差異，主要原因是在加工和封裝過程中，未知原因?qū)е滤淼篱g距的變 化，使得閾值降低，在隧道間隙在１０Ａ左右時，進(jìn)入檢測狀態(tài)，這時隧尖走過一個初始

間距）（０，根據(jù)靜電力的計算關(guān)系Ｆ：曇！雩ｙ：司兇，變化前后的初始間距和驅(qū)動電壓的

比值關(guān)系為善：㈦２，可以算出在驅(qū)動電壓降觸ｓｚ·時，初始間距變有加工得到
的平均ｉ．１ｕｍ降為０．２２６ｕｍ。

由于產(chǎn)生隧道電流的距離較近，且變化范圍較小，故對外圍檢測及反饋控制電路的
要求也非常嚴(yán)格，這也是隧道加速度計的檢測難點之處。

４，２．６隧道加速度傳感器的噪聲測試

對所組裝的三軸隧道式加速度傳感器進(jìn)行噪聲測試，采用ＨＰ３５６７０Ａ頻譜分析儀對 輸出信號進(jìn)行噪聲的頻譜測試，電壓噪聲功率譜密度如下圖所示，其噪聲譜密度為

０．ＳｍＶ／，］－面ｚ，電壓靈敏度為５Ｖ／ｇ，可見，隧道式加速度計在Ｏ－４００Ｈｚ內(nèi)的噪聲譜為值
除以相應(yīng)的驅(qū)動電壓靈敏度，即可得到加速度噪聲譜密度為ｏ．１Ｉｎｇ，√西三（除去工頻干
擾）。

中北大學(xué)學(xué)位論文

＇ｅ

＇４

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＇２

呂ｔＯ ｛
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Ｏ ８

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１；｛卜０４

臀
０ ２ Ｏ，Ｏ －０２ Ｏ

＇∞

２∞

３００

叼Ｏ

頻率／Ｈｚ
圖４．１５隧道式加速度計輸出的功率譜密度

６ｌ

中北大學(xué)學(xué)位論文

５厚膜混合集成電容式加速度傳感器的制作
５．１電容式加速度傳感器厚膜混合集成的設(shè)計

５．１．１元器件選擇

ａ．運算放大器 因是有源器件，是采用半導(dǎo)體工藝制作的，一般采用裸芯片貼裝在基板上，用鍵合 機和其它線路相連接。 ｂ．無源元件 在電容式加速度傳感器的制作中，所使用的無源元件包括電容和電阻。這些元件可 以成批制造在混合電路基片上，也可以另行購買片狀形式的元件，然后裝配到混合電路 基片上。因用絲網(wǎng)印刷和燒成在混合基片上的電阻和電容要占用相當(dāng)大的基片面積，且 溫度系數(shù)較高，故在此使用片式電容和片式電阻。

５．１．２材料選擇

厚膜混合集成電路是依賴于材料的一種電子元器件封裝方法，它是介于組裝常規(guī)電 子元器件的ＰＣＢ板和單片集成電路之間的一種電路封裝手段【椰ｌ。其所需的基本材料是基 片和各種漿科。 （１）基片

在厚膜混合集成電路中，基片起著承載厚膜元件、互連和包封等作用，在大功率電
路中，基片還有散熱的作用。厚膜電路對基片的要求包括：平整度、光潔度高；有良好 的電氣性能；高的導(dǎo)熱系數(shù)；有與其它材料相匹配的熱膨脹系數(shù)；有良好的機械性能。 通常厚膜電路選擇９６％的氧化鋁陶瓷基片。 （２）漿料 在厚膜混合集成電路中，無源網(wǎng)絡(luò)主要是在基片上將各種漿料通過印刷成圖形并經(jīng) 高溫?zé)Y(jié)而成。使用的材料包括：導(dǎo)體漿料、介質(zhì)漿料和電阻漿料等。 １．導(dǎo)體漿料

中北大學(xué)學(xué)位論文 厚膜導(dǎo)體是厚膜混合集成電路中的一個重要組成部分，在電路中起有源器件的互連 線、多層布線、外貼元器件的引線焊區(qū)、電阻器端頭材料、低阻值電阻器等作用。 導(dǎo)體漿料中的功能材料是高電導(dǎo)率的金屬。多數(shù)這類金屬是貴金屬，如金、鉑、鈀、 銀和這些金屬的結(jié)合。 常用的有Ａｇ基（Ａｇ、Ａｇ—Ｐｄ、Ａｇ＿Ｐｔ、Ａｇ—Ｐｄ—Ｐｔ）和Ａｕ基（Ａｕ、Ａｕ－Ｐｄ、Ａｕ－Ｐｔ、Ａｕ－Ｐｔ－Ｐｄ）

導(dǎo)體。純Ａｇ導(dǎo)體導(dǎo)電性最好，成本也最低，但在高溫、高濕和強電場作用下會發(fā)生銀 離子遷移（也叫飛銀）現(xiàn)象１４２１。
Ａｇ—Ｐｄ導(dǎo)體與常用的電阻材料的相容性較好，Ａｇ－Ｐｔ導(dǎo)體抗焊料侵蝕能力優(yōu)良，其 它性能與Ａｇ—Ｐｄ類似，但銀離子遷移仍存在。Ａｇ—Ｐｄ－Ｐｔ導(dǎo)體是在Ａｇ－Ｐｄ導(dǎo)體中加入Ｐｔ 制成的，能比較有效地防止銀離子遷移。 純的會導(dǎo)體沒有離子遷移問題，導(dǎo)電性能非常好，但價格昂貴。主要用于高可靠、

多層布線電路（可印出細(xì)線），還可用于半導(dǎo)體Ｉｃ中鍵合焊接區(qū)。
在鍵合時，需要特殊的合金，如鉑一鈀一銀導(dǎo)體能和ｌｍｉｌ的金絲鍵合，高鈀含量的 鈀銀導(dǎo)體能和ｌＯｍｉｌ的鋁絲鍵合。 ２．電阻漿料 厚膜電阻漿料也是厚膜混合集成電路中的一個重要組成部分，用厚膜電阻漿料制成 的厚膜電阻是應(yīng)用最廣泛和最重要的元件之一。一般選用美國杜邦公司的電阻漿料。 ３．介質(zhì)漿料 厚膜介質(zhì)漿料是為了實現(xiàn)布線導(dǎo)體的多層化以及厚膜電阻的性能參數(shù)不受外部環(huán)境 影響而應(yīng)用的。包括多層介質(zhì)漿料和包封介質(zhì)漿料。 厚膜介質(zhì)比較重要的工程參數(shù)有：電性能（絕緣電阻、介電常數(shù)、損耗印數(shù)、擊穿 電壓）、膜的完整性（沒有針孔和氣孔）和通孔分辨率。

５．１．３電容式加速度傳感器的厚膜混合集成版圖

對所設(shè)計的梳齒電容式加速度計的檢測電路，已在ＰＣＢ板上驗證其線性度和可靠性 如第三、四章所述，并與表頭一起進(jìn)行厚膜混合集成，來減小體積、提高其測試精度。 版圖設(shè)計是根據(jù)電路的要求在保證性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計的�；捎茫玻常睥鳎睿� １７ｍｍ的

中北大學(xué)學(xué)位論文 陶瓷基片，它的主要成分是４ｆ２ｑ。下層導(dǎo)體漿料用鈀銀漿料，焊點用鈀銀漿料，它的可 焊性好。上層鍵合導(dǎo)體用鉑鈀銀漿料，能用于金絲鍵合。厚膜電阻采用由金屬氧化物半 導(dǎo)體材料制成的玻璃釉電阻器，它是由ＴｉＮ、力和玻璃釉組成，阻值范圍較寬，性能比較 穩(wěn)定。 其厚膜集成的總體版圖如圖５．１所示，共有三層。

圖５．１總體設(shè)計版圖 第一層為導(dǎo)體層，采用正光刻膠制作，印刷下層導(dǎo)線，

圖５．２導(dǎo)體層

第二層為介質(zhì)層，用負(fù)光刻膠制作，用于印刷起隔離作用的介質(zhì)，其上的漏印部分， 連接上下層導(dǎo)體，起過孔的作用。

圖５．３介質(zhì)層版圖

中北大學(xué)學(xué)位論文 第三層為導(dǎo)體層，即焊接層，大片的面積用于貼裝有源器件，起散熱的作用。

圖５．４焊接層版圖

５．２厚膜混合集成電容式加速度傳感器工藝

厚膜電路元器件制造技術(shù)簡要流程如圖５．５所示：

圜
ｌ

圊酐÷囫
圖５．５厚膜器件鋁《作流程圖
�。撸保犊诤蜔Y(jié)是厚膜技術(shù)中最基本的，也是保證厚膜重現(xiàn)性的最重要成膜技術(shù)。

ｔ

５．２．１絲網(wǎng)印刷工序

絲網(wǎng)印刷的基本概念是將粘性的漿料在漏印絲網(wǎng)上用力推動使其通過絲網(wǎng)將圖形淀 積到基片上。為了產(chǎn)生絲網(wǎng)漏印版，必須在絲網(wǎng)上產(chǎn)生一種負(fù)的掩模。使導(dǎo)體、電阻或 介質(zhì)漿料能被刮板的力漏印到基片上，這樣才能在基片上產(chǎn)生正的圖形。 厚膜電路是用絲網(wǎng)印刷工藝產(chǎn)生的，絲網(wǎng)印刷是非常關(guān)鍵的工藝之一，其對電路的 影響非常大，絲印缺陷給電路帶來的影響如下：

中北大學(xué)學(xué)位論文 表５．１絲印缺陷對厚膜電路的影響【刪

厚膜種類

印刷缺陷 中空 分辨力低

給成品帶來的影響。 導(dǎo)線產(chǎn)生缺陷。 電路產(chǎn)生短路。 膜薄導(dǎo)電性差，耐焊性高。

導(dǎo)體 膜厚不適當(dāng) 膜厚過度則影響電阻和介電體的并存性問題。 墨膜過薄，電阻值比預(yù)定值要高。 電阻器 膜厚不適當(dāng) 膜厚多度則需要多等價交換激光，調(diào)整且調(diào)整后的穩(wěn)定 性也不好。 中空和針孔 介電體 封閉輔助孔 膜厚不適當(dāng) 焊料。 漿料印量不足 電路產(chǎn)生凹陷。 不能導(dǎo)通。 膜厚過薄，電絕緣性變差，甚至短路。 濕潤不完全，粘接不好。

本電路的絲網(wǎng)印刷過程為先印刷第一層導(dǎo)體，然后印刷介質(zhì)層，最后印刷上層導(dǎo)體， 通孔導(dǎo)體可以用單獨的絲網(wǎng)和獨立的工藝步驟印刷充入，這能使上表面平整。介質(zhì)層常 會產(chǎn)生針孔，故習(xí)慣上介質(zhì)層要印兩次，能避免產(chǎn)生針孔，防止介質(zhì)層擊穿導(dǎo)致導(dǎo)體短 路。

５．２．２燒結(jié)工序

絲網(wǎng)印刷后，要先在空氣中流平５－１０ｍｉｎ，然后通過１００－１５０。Ｃ的帶式爐，讓其完 全干燥，時間約ｌＯ一２０ｍｉｎ，在此期間，有機溶劑揮發(fā)掉。干燥以后，基片被送入有幾個

溫區(qū)的高溫帶式爐進(jìn)行燒結(jié)。
一般來說，峰值溫度將比漿料中的金屬成分的熔化溫度低約１０００Ｃ，如銀的熔點為

９５００Ｃ，銀漿料的最高燒成溫度約８５００Ｃ。

中北大學(xué)學(xué)位論文

圖５．６燒結(jié)爐燒結(jié)曲線 本試驗中的燒結(jié)曲線如圖５．６所示：主要分為三個階段或溫區(qū)。 在爐子的第一部分（２００—５００。Ｃ），暫時性的有機結(jié)合劑在空氣中氧化分解而被去 掉。未能完全去掉的結(jié)合劑會形成氮化淀積，陷在漿料中，會改變最后產(chǎn)品的電性能和 物理性能。 在中間的溫區(qū)（５００—７００。Ｃ），使永久性的結(jié)合劑（玻璃）熔化，濕潤基片和功能

材料顆粒的表面�；械挠行┎ＡС煞郑舶l(fā)生軟化和熔化，引起它和漿料中的玻璃
料熔合。 在第三溫區(qū)中（７００—８５０。Ｃ），功能顆粒被燒掉，且與玻璃料一起固定在基片上。

部件在峰值溫度８５０。Ｃ下保溫約ｌＯｍｉｎ。
最后溫區(qū)從峰值溫度迅速冷卻到比室溫稍高的溫度。全部燒成時間約１ｈ。

中北大學(xué)學(xué)位論文

５．２．３再流焊接工序

在厚膜混合集成電路的組裝中，有源和無源分立元器件可黏結(jié)到基板或功能材料層 上。其黏結(jié)方法有很多種，常見的有錫焊和共熔焊，其中錫焊是最常用的。在厚膜電路 上使用焊料時，要考慮導(dǎo)體的可焊性和抗焊能力１７０】。

可焊性，是焊料很快地均勻地濕潤表面的能力。一般來說，所有貴金屬導(dǎo)體和一部
分非貴金屬（銅、鎳）是可以焊接的。但當(dāng)金屬表面被有機殘余物、無機鹽類或氧化沾 污時，差的濕潤性就會發(fā)生。厚膜漿料中含有大量的玻璃料，也是有礙焊接的。

抗焊能力，抗焊能力是阻止厚膜導(dǎo)體因為被吸收、被合金化或其他原因被熱焊錫吃 掉的能力。焊料和厚膜導(dǎo)體的表層的受控的合金化對于形成堅固的電氣和機械連接是重
要的。在金或銀導(dǎo)體中加入鉑或鈀，可以改善它們的抗焊能力，但這是以降低電導(dǎo)率為 代價的。所以，在制造多層基片時，這些合金材料僅用于上層導(dǎo)體或錫焊焊盤。而內(nèi)層 導(dǎo)體使用沒有合金的金或銀漿。 在使用裸芯片的混合電路中，通常避免使用鉛／錫焊料連接和裝配，因為有很大的

潛在危險，會使鉛／錫焊料沾污線焊，助焊劑沾污器件和電路，以及發(fā)生焊錫飛濺。這 些污染陷入密封封裝中，，會引起線焊降級、腐蝕、器｛牛電參數(shù)改變和電氣短路。然而， 錫焊對于將封裝好的元器件組裝互連到陶瓷印刷電路板上是一種非常有用的方法，并得
到了廣泛應(yīng)用。流行的工藝順序是先在厚膜導(dǎo)體焊盤上印刷焊錫漿料，再貼上元器件， 然后用再流焊焊接１７ｌＪ。
一

焊接技術(shù)的完整性主要取決于焊料在接觸表面的再流。焊料在結(jié)合表面的這種再流 有焊料的潤濕能力決定，它直接與適當(dāng)溫度范圍內(nèi)的具體溫度下的保溫時間和設(shè)定的具

體溫度有關(guān)，再流焊焊接氈線如下：

中北大學(xué)學(xué)位論文

圖５．７再流焊焊接曲線 再流焊的爐溫曲線由具有不同定時的三個不同溫度階段構(gòu)成。自然溫?zé)釙r間、預(yù)加 熱或保溫時間、峰值溫度焊錫再流時間。預(yù)加熱從１２０～１５０℃區(qū)間的時間長度建議在 ４５～１５０ｓ之間。焊錫再流時間段要求溫度以１．０～４．０℃／ｓ的速度快速升高到峰值再流 時問。峰值溫度通常設(shè)定為高于熔化溫度２０～５０℃。

５．２．４鍵合工序

在芯片器件被貼到基片上以后，必須對它們電氣互連，以便使它們具備電路的功能。 將芯片上的電路圖案與基片上的電路圖案互連是混合電路制造中的重要步驟之一。對于 裸芯片到基片上的互連，大量的仍是用線焊，它們有三種方法：熱壓、超聲和熱聲焊。 金絲球焊是最常用的引線鍵合技術(shù)，現(xiàn)在有９０％的鍵合都采用金絲球焊。金絲球焊 接機如圖５．８所示，鍵和后的雙運放如圖５．９所示。

中北大學(xué)學(xué)位論文

圖５．８金絲球焊接機

圖５．９鍵合后的雙運放

金絲球焊接機工作時金屬絲線穿過空心劈刀，由電子火焰切斷（ＥＦＯ）金屬絲在劈

刀外的部分，金屬絲熔化并在表面張力的作用下在端頭形成一個金屬球，金絲球焊的第
二焊點以楔形焊完成。金絲球焊由于其圓球狀的第一焊點，使得它的第二焊點能任意拉 伸向各個方向，靈活快速完成同一芯片上不同方向的互連【捌： 在厚膜混合集成電路中，器件的失效約有１／３是由芯片互連引起的，故芯片互連對 器件長期使用的可靠性影響很大。在傳統(tǒng)引線鍵合中，常見的失效形式主要表現(xiàn)為鍵合 剝離、鍵合點跟部及頸部斷裂、焊盤塌陷和尾絲不一致、引線彎曲疲勞等現(xiàn)象［７３１，分別 如圖５．１０，５．１ｌ，５．１２所示。

圖５．１０鍵合剝離

圖５．１ｌ鍵合點跟部斷裂

圖５．１２焊盤塌陷

５．３電容式加速度傳感器的封裝及測試

因為混合電路是脆弱的并且對大氣污染敏感，必須用某種形式的封裝來保護(hù)它們。 封裝對內(nèi)部電路提供機械和環(huán)境保護(hù)。芯片是用ｌｍｉｌ或２ｍｉｌ直徑很細(xì)的線互聯(lián)，在操

中北大學(xué)學(xué)位論文 作中很容易損壞。此外，許多有源器件（雖然是鈍化過的）、鋁的線焊焊盤、鋁線和薄

膜電阻對大氣中的潮氣、離子鹽和其他的污染物的腐蝕很敏感。當(dāng)然，封裝也有其他功
能，如提供標(biāo)準(zhǔn)的形狀和規(guī)定外部引線排列以方便裝配和測試。 所選用的是直插式平底外殼封裝，封裝形式為ＵＰ２５２３—１６。其適用于厚、薄膜混合 集成電路封裝，適合插入式組裝；封蓋方式采用高可靠平行縫焊工藝：殼體材料采用可 伐合金，可獲得優(yōu)良的氣密性和熱匹配性。其封裝后的電容式加速度傳感器的圖片為：

圖５．１３封裝后的圖形 經(jīng)厚膜混合集成后的電容式加速度傳感器，能大大減小電路的體積，下圖為封裝前 后的電路對比。

圖５．１４封裝前后的電容式加速度傳感器的對照圖

中北大學(xué)學(xué)位論文 ５．３。２測試

先完成電路的基本參數(shù)測試，確定電路及電容式加速度計表頭正常工作后，主要進(jìn)

行電容式加速度計的功能測試。把厚膜混合集成的電容式加速度計固定在振動臺上，進(jìn)
行其動態(tài)測試，其測試數(shù)據(jù)如下： 表５．２振動臺標(biāo)定數(shù)據(jù)

所加ｇ值／ｇ 輸出電壓 值／ｖ

Ｏ．５ ０．８４７ ５３

１ １．７７６ ３５

１．５ ２．５０２ ７５

２ ３．３６８ ４２

２．５ ４．２２２ ５９

３ ５．００２ ８３

３．５ ６．０１２ ４１

４ ６．７４８ ８２

４．５ ７．５８８ １０

５ ８．４２７ ４２

９ ８ ＞７

≥６
互５ 三３

鱗３
２
ｌ

Ｏ Ｏ １ ２ ３ ４ ５ ６

抽運囊，，ｇ

圖５．１５測試標(biāo)定數(shù)據(jù) 從測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定度可以看出，其測試精度比集成前提高了一個數(shù)量級。這對微弱 信號檢測來說，是比較重要的。

中北大學(xué)學(xué)位論文

６結(jié)論與展望
６．１論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)論

本文主要對硅微電容式、隧道式加速度計的微弱信號檢測、測試及其厚膜混合集成 進(jìn)行了系統(tǒng)研究，完成了硅微梳齒電容式加速度計的差分檢測電路設(shè)計，對電路進(jìn)行了

性能測試，及系統(tǒng)調(diào)試和系統(tǒng)的動、靜態(tài)測試：完成了隧道式加速度計的開環(huán)測試，并
在系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上完成了檢測電路的設(shè)計，并進(jìn)行了三軸隧道式加速度計的測試及標(biāo) 定：為減小檢測電路的體積、提高電容式加速度計的精度，對電容式加速度計及所設(shè)計

的檢測電路進(jìn)行了厚膜混合集成。論文所進(jìn)行的主要研究工作及結(jié)論包括以下幾個方
面： １．大量收集了國內(nèi)外微機械加速度傳感器的發(fā)展及現(xiàn)狀的相關(guān)資料，并總結(jié)出了目前 主要的硅微機械加速度傳感器的工作原理及技術(shù)指標(biāo)以及目前發(fā)展的趨勢； ２．針對目前國內(nèi)研究的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)合微弱信號檢測的知識，從電路設(shè)計和集成來提 高加速度計的檢測精度。

３．對目前研究的熱點——電容式和隧道式加速度計，進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，在所設(shè)
計的檢測電路的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了電路測試和系統(tǒng)標(biāo)定。 ４．在梳齒電容式加速度計的差分檢測上，采用電壓反饋模式設(shè)計了檢測電路，經(jīng)測試， 可知其測試精度為１０＂”Ｆ，并與表頭聯(lián)調(diào)，測試傳感器的靈敏度為１１２３．２ｍｖｇ～，被測

電容式傳感器的輸出噪聲譜密度為４４．５ｕｇ／，／面。
５．通過系統(tǒng)仿真，得出了反饋量的范圍，來指導(dǎo)隧道式加速度計閉環(huán)反饋電路的設(shè)計，
并對所設(shè)計的檢測電路與表頭進(jìn)行了標(biāo)定。 ６．在分析現(xiàn)有集成電路優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，選擇了厚膜混合集成對電容式加速度計和后

續(xù)處理電路進(jìn)行了集成，弗進(jìn)行了功能測試，通過集成可提高一個數(shù)量級的檢測精度。

中北大學(xué)學(xué)位論文 ６．２展望

電容式加速度計和隧道式加速度計的應(yīng)用前景非常廣闊，還需要繼續(xù)規(guī)范加速度計 的設(shè)計、加工及集成，在現(xiàn)有硅微加速度計和處理電路的基礎(chǔ)上，還需要繼續(xù)在以下方 面努力來提高其檢測精度。 ｌ，提高電容式加速度計的檢測精度，并結(jié)合不同的量程設(shè)計檢測電路的參數(shù)。 ２．解決隧道式加速度計在常溫下的漂逸問題。 ３．對隧道式加速度計進(jìn)行真空封裝，并設(shè)計相應(yīng)的ＰＩＰ控制電路來增加電阻尼。 ４．運用魯棒控制理論來盡可能地降低系統(tǒng)的噪聲，來提高隧道式加速度計的檢測 精度。 ５．進(jìn)一步提高厚膜混合集成電路的布版技巧，來降低厚膜混合集成的寄生效應(yīng)和 熱效應(yīng)。

７４

中北大學(xué)學(xué)位論文

附錄
附件一：電容式加速度計的檢測電路

中北大學(xué)學(xué)位論文 附件二：隧道式加速度計的檢測電路

中北大學(xué)學(xué)位論文

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ＰＰ．２０１—２１０，１９８９ ａｎｄ

Ｗ．Ｊ．Ｋａｉｓｅｒ，Ａｎ

ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ，Ｓｅｎｓｏｒ＆Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｖｏｌ，１９，

【６２】Ｊｏｈｎ

Ｇｒａｄｅ，Ａａｒｏｎ Ｂａｒｚｉｌａｉ ｅｔ ａｌ，Ｌｏｗ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｒｉｆｔ Ｉｎ Ｔｕｎｎｅｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ，Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ９７，

Ｃｈｉｃａｇｏ，Ｊｕｎｅ，１９９７ ｐｐ．８７１—８７４

【６３】Ｊｉａｕｃｈａｏ Ｗａｎｇ，Ｐａｕｌ Ｍ．Ｚａｖｒａｅｋｙ

ｃｔ ａｌ，Ｓｔｕｄｙ

ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｎｏｉｓｅ

Ｕｓｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ

Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｔｉｐ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ９７，Ｃｈｉｃａｇｏ，Ｊｕｎｅ，１９９７ ＰＰ．４６７－４７０

【６４】Ｃｈｅｎｇ—Ｈｓｉｅｎ

Ｌｉｕ

ａｎｄ

Ｔｈｏｍａｓ

Ｗ．Ｋｅｎｎｙ

Ａ

ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｗｉｄｅ－ｂａｕｄｗｉｔｈ

ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｒ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈｅｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ，ｖ０１．１０， Ｎｏ．３．Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００１ ＰＰ．４２５－４３３

［６５］韓利竹，王華編著．ＭＡＴＬＡＢ電子仿真與應(yīng)用（第二版）．北京：國防工業(yè)出版社．
２００３年９月

［６６］鄒伯敏主編．自動控制理論（第二版）．北京：機械工業(yè)出版社，２００２年３月
［６７］劉金琨主編．先進(jìn)ＰＩＤ控制Ｉ雌ＴＬＡＢ仿真（第二版）．北京：電子工業(yè)出版社．２００４ 年９月

８１

中北大學(xué)學(xué)位論文

［６８］李凱瑞，恩洛［美］著，朱瑞廉譯．混合微電路技術(shù)手冊．北京：電子工業(yè)出版
社。２００４ ［６９］侯翠群．厚膜混合集成電路可靠性分析與提高：［學(xué)位論文］．南京：南京理工大學(xué)，
２００１

［７０］顧來．厚膜混合集成壓力傳感器：［學(xué)位論文］．沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，２００５ ［７１］熊祥玉．絲網(wǎng)印刷與厚膜Ｉｃ技術(shù)．電子工業(yè)技術(shù)．２００１，２２（３）：．１１３～１１５ ［？２］中國電子學(xué)會生產(chǎn)技術(shù)學(xué)分會叢書編委會組編．微電子封裝技術(shù)．合肥：中國科 學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社。２００３ ［７３］馬鑫，何小琦．集成電路內(nèi)引線鍵合工藝材料失效機制及可靠性［Ｊ］．電子工藝技 術(shù)，２００１，２２（５）：１８５—１９０

中北大學(xué)學(xué)位論文

致

謝

本論文是在劉俊教授的悉心指導(dǎo)Ｆ完成的，他以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和孜孜不倦的晦人 風(fēng)格，給我留下了深刻的印象。在整個研究生學(xué)習(xí)期問，劉老師一直給予全力的幫助和

精心的指導(dǎo)，并且在生活上給予了無微不至的關(guān)懷。在此向他們表示衷心的感謝，并致
以崇高的做意。

本文的火量工作是在石云波老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在研究生期間石云波老師對
我的學(xué)習(xí)和工作都給予了極大的幫助。在石老師的關(guān)懷和熱情指導(dǎo)Ｆ，我的論文得以順 利完成，在此Ｉ＿石老師表示忠心的感謝。

所參與的項目是與北京大學(xué)微電子所合作完成的，在此感謝北京大學(xué)的繆曼老師和

胡啟方同學(xué)在工作上的協(xié)作與幫助，感謝中北大學(xué)的沈三民老師所作的前期工作，為我
之后的電路設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。在電路的設(shè)計中曾得到中北大學(xué)微米納米研究中心的電路
高手老師李錦明老師、任永峰老師、馬游春老師和張斌珍老帥的指導(dǎo)；在厚膜混合集成 電路的設(shè)計和制作中得到馬喜宏老師和郭虎崗等同學(xué)的幫助，在此表示感謝。 衷心感謝中北大學(xué)微米納米技術(shù)研究中心的各位老師在工作中對我的指導(dǎo)和幫助， 他們在這兩年半的時間內(nèi)給過我無數(shù)的幫助，他們謙虛謹(jǐn)慎的治學(xué)態(tài)度，精益求精的治 學(xué)精神，是我學(xué)習(xí)的榜樣。 感謝４１３的研究生同學(xué)以及曾經(jīng)一起在微米納米研究中心朝夕相處的研究生同學(xué) 們，共同求知進(jìn)取的成長歲月里建立起來的誠摯的友誼給我留下彌足珍貴的永久回憶。 尤其要感謝我的父母多年以來對我學(xué)習(xí)一貫的鼓勵和堅定的支持。父母含辛茹苫， 勤儉操勞，將我養(yǎng)育成人，并努力為我創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，他們無私的奉獻(xiàn)和殷切的 期望是我不懈求知的堅強后盾和動力源泉。我無以為報，謹(jǐn)以此文略表感激之情，爭取 住今后的工作中以更大的成績回報。

最后，衷心感謝所有給予過我關(guān)心和幫助的老師、同學(xué)、朋友們。

中北大學(xué)學(xué)位論文

攻讀碩士期間的主要研究工作及所取得的研究成果
主要參與的課題： １．山西省自然科學(xué)基金“微慣性器件微弱信號檢測技術(shù)研究”（２００５１０４０）：． ２．參與“８６３”課題“高精度加速度計的研制”與北京大學(xué)合作； ３單軸、雙軸、三軸振動、過載加速度汁的調(diào)試與焊接。 其他主要工作

１．參與了《微弱信號檢測技術(shù)》一書第二章和第四章的編寫。
論文 １．微小差分電容檢測電路設(shè)計．王玲，劉俊，石云波。傳感技術(shù)學(xué)報．２００６年第１９ 卷，第６期：

２．微機械隧道式加速度計的弱信號檢測電路設(shè)計．王玲，劉俊，石云波。測試技術(shù)學(xué)
報．Ｖｏｌ（２０）．２００６。
文Ｊｕｎ Ｌｉｕ，ｌｉｎｇ Ｗａｎｇ，Ｙｔｍｂｏ Ｓｈｉ，Ｆａｉ

Ｍａ．Ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｗｅａｋ

ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ

ＭＥＭＳ

ｒｅｓｏｎａｎｔ

ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ（審稿中）

３．微機械電容式加速度計檢測電路設(shè)計．石云波，王玲，劉俊，傳感器與微系統(tǒng)．２１
（４）．２００６．８

４．地面運動目標(biāo)的振動信號的特性分析。石云波，劉俊，王玲．傳感技術(shù)學(xué)報．（已錄
用）。

５．基于ＣＰＩ。Ｄ的單半正弦脈沖發(fā)生器的設(shè)計．石云波，劉俊，王玲．中Ｎｆ，ｔｌ試技術(shù)．（已 錄用）。

硅微電容式、隧道式加速度計檢測技術(shù)研究
作者： 學(xué)位授予單位： 王玲 中北大學(xué)

相似文獻(xiàn)(3條) 1.學(xué)位論文 李萬玉 硅微加速度計輸出信號的檢測及處理技術(shù)研究 1999
該文研究的意義在于,為國內(nèi)外正在致力研究的硅微加速度計的弱信號檢測技術(shù)探索設(shè)計理論和方法,研究設(shè)計過程中的技術(shù)難點,并為克服技術(shù)難題 提出了可能實現(xiàn)的解決方案與途徑,研究內(nèi)容具有普遍意義,不僅適用于硅微加速度計,而且適用于硅微陀螺儀、硅微壓力傳感器、硅微執(zhí)行器等多種微機 傳感器的微弱信號檢測.

2.期刊論文 鐘瑩.張國雄.李醒飛 新型諧振式硅微機械加速度計 -納米技術(shù)與精密工程2003,1(1)
制作出一種新型結(jié)構(gòu)的諧振式硅微加速度計,其輸出頻率信號可以克服微機電系統(tǒng)器件輸出微弱信號檢測的困難.采用雙端固定音叉作為諧振器,在加 速度作用下,質(zhì)量塊的慣性力通過懸臂梁施加于音叉軸向,利用音叉諧振頻率的變化測量加速度.在每個音叉臂上制作了梳齒結(jié)構(gòu),用梳齒間的靜電力激勵音 叉產(chǎn)生諧振,并利用其構(gòu)成的電容檢測其振動頻率.該加速度計采用體硅工藝制作,文中給出了工藝流程.用有限元方法仿真估算,得到傳感器的靈敏度約為 2/g Hz.

3.期刊論文 李萬玉.阮愛武.羅晉生.馮培德.LI Wan-yu.RUAN Ai-wu.LUO Jin-sheng.FENG Pei-de 硅微機械陀螺接 口檢測技術(shù)的研究 -微電子學(xué)1999,29(5)
研究了微陀螺的電容變化率為10-7～10-8時的微弱輸出信號的檢測技術(shù),這是微機械器件研制中具有普遍性的技術(shù)難點.在研究檢測微小電容變化量的 積分電路的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步采用了可抑制低頻噪聲和漂移的相關(guān)雙采樣技術(shù),以及抑制由開關(guān)電荷注入引起的誤差的技術(shù).這些全新的技術(shù)思路和措施可望 達(dá)到檢測10-7～10-8的電容變化率的目的.

本文鏈接： 下載時間：2010年1月18日



  本文關(guān)鍵詞：硅微電容式、隧道式加速度計檢測技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。