[发明专利]一种低g值电容式MEMS加速度计及其模态局域化测量电路

说明书

本发明公开一种低g值电容式MEMS加速度计及其模态局域化测量电路。电容式MEMS加速度传感器包括硅基质量块，弹簧，电容极板，X、Y、Z方向限位档块，电容极板电极，电容极板和质量块构成4个差分电容，通过第一引线孔、第二引线孔和电容极板电极，将差分电容信号引入到模态局域化电路中。所述的电容测量系统包含ASIC模态局域化电路，参考电压源，多相时钟源，ASIC模态局域化电路输出电流与电容变化近似呈线性关系，当频率分析和数据采集/保持模块采样得到模态局域化电路的模态频率，响应电流信号，经低通滤波后输入到DSP中缓存计算。本发明设计了一种新型差分电容式MEMS加速度传感器及检测微弱电容变化的模态局域化测量电路，实现高精度微弱加速度变化检测。

【技术领域】

本发明涉及一种加速度传感器技术领域，特别涉及一种超低g值MEMS电容式加速度传感器及电容测量方法。

【背景技术】

加速度传感技术广泛应用于地震监测，煤炭开采以及航空航天领域，传统的动圈式加速度传感器由于体积大、能耗高、精度不足已经渐渐无法满足生产生活的需求，微机电系统(MEMS)加速度传感器具有体积小、精度高、集成度高、稳定性好的特点，具有取代传统加速度传感器成为主流的趋势。

MEMS加速度传感器按照原理可包括电容式、压阻式、谐振式以及隧道电流式等，其中电容式加速度传感器技术相对更加成熟，工艺结构设计相对灵活。

Yazdi等人利用体硅加工技术设计了分辨率可以达到微重力加速度(μg)级别的电容式加速度传感器；周再发等人在其基础上使用表面加工和部分体加工工艺来降低加工难度，并且将传感器与测量电路集成在同一硅片上，提高了测量精度和测量范围，然而由于结构设计限制，横向灵敏度较高，精度受到影响。

车录锋等人使用体硅微机械方法，制作出的一种三明治结构电容式微加速度传感器，与现有工艺相比避免了繁琐的键合工艺，但其灵敏度及精度较低。

高成臣等人使用采用SOI工艺，采用上下玻璃基板作为固定电极，采用键合使中间质量块和玻璃极板形成三明治结构差分电容式传感器。其原理上采用平行板电容差分结构，输出电压与加速度线性度差，对于后续电路设计以及电容读取而言难度较大，并且工艺复杂，成品率低。

全硅三明治结构对称差分变面积电容式加速度计，具有低噪声，高灵敏度，宽动态范围的特点，设计接口电路较为容易。

通常对于10pF以下的电容，由于PCB电路板所产生的寄生电容已到达这个量级，不能使用传统的方法测量，由于微纳加工尺度限制，MEMS电容式加速度计的电容在1g的重力加速度下，电容变化在10^-18-10^-12F左右，而一些特定领域，如重力场监测，其加速度变化在10^-5g以下，对应电容变化在10^-21-10^-15F左右，已超出了目前电容读取技术的限制，故而小于10^-5g的微重力电容式加速度传感器，对于电容读取及电路降噪滤波的要求更加严苛。

对于电容式微重力加速度计，准确高效读取微弱电容变化成为电容式加速度计的研究重心。电容读取技术原理上包括：基于运算放大电路的连续时间电压读出电路：将所检测到的静电电容的变化在电荷读取单元中转换为电荷，且将在电荷读取单元中读取到的电荷传输到积分器进行积分，由此转换为电压信号。但原始信号经过电荷读取、积分，包含大量噪声，导致电路设计相对复杂。

使用调制/解调的放大电路技术，其难点在于运算放大器输入端共模偏置电压的实现；开关电容电荷读出电路缺点为电路中放大采样与保持过程，使得连续的电流信号变为离散信号，并且带入一定的高频噪声，限制了开关电容读出精度。这两种检测方式最小检测精度在pF(10^-15F)级别，对于微重力加速度计而言都稍显不足。