一文了解MEMS电容式加速度计

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电容式加速度传感器又称变电容式加速度传感器,它的结构原理如下图所示,一个质量块固定在弹性梁的中间,质量块的上端面是一个活动电极,它与上固定电极组成一个电容器C1;质量块的下端面也是一个活动电极,它与下固定电极组成另一个电容器C2。
当被测物的振动导致与其固连的传感器基座振动时,质量块将由于惯性而保持静止,因此上、下固定电极与质量块之间将会产生相对位移。这使得电容C1、C2的值一个变大、另一个变小,从而形成一个与加速度大小成正比的差动输出信号。
 
 

随着微机电技术的发展,如今的电容式加速度传感器普遍采用MEMS技术制造。MEMS电容式加速度计具有高精度、低温度敏感系数、低功耗、宽动态范围、微机械结构等优点,在市场上得到了广泛应用。

 
 

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电容式加速度传感器力学模型

电容式加速度传感器从力学角度可以看成是一个质量—弹簧—阻尼系统,加速度通过质量块形成惯性力作用于系统,如下图所示:

根据牛顿第二定律,对于该力学模型,可以列写出下列二阶微分方程:

其中

将上式进行零初始条件下的拉普拉斯变换,得

由此可得以加速度作为输入变量a,质量块相对壳体位移s为输出变量;传递函数为

可见,如果将传感器的壳体固定在载体上,只要能把质量块在敏感轴方向相对壳体的位移测出来,便可以把它作为加速度的间接度量。由上式可见,传感器无阻尼自振角频率为

传感器阻尼比为

从上式可以看出,当处于常加速度输入下的稳态时,其质量块相对壳体位移趋于如下稳态值:

由上式可见,质量块越大,弹性系数越小,即系统无阻尼自振角频率越低,则电容式加速度传感器灵敏度越高。稳态灵敏度为:

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MEMS电容式加速度计的三种常见结构

1、跷跷板摆式电容加速度计

跷跷板摆式电容加速度计又称扭摆式硅微加速度计(Pendulous Micromachined Silicon Accelerometer,PMSA),因敏感质量绕着弹性梁扭转形似跷跷板而得名。

其典型代表是美国Draper实验室于1990年研制的微机械加速度计,其敏感质量与下面的玻璃基片之间形成差动检测电容。由于质量片分别位于承扭梁两边的质量和惯性矩不相等,所以当存在垂直于质量片的加速度输入时,质量片将绕着支撑梁旋转,从而使相应的一对差动电容一个增大一个减小,测量差动电容值既可得到沿敏感轴输入的加速度。

2、梳齿式电容加速度计

梳齿式硅微机械加速度计(Finger-shaped Micromachined Silicon Accelerometer,简写为FMSA)因活动电极形似梳齿而得名,又称叉指式电容加速度计,是微加速度计的一种典型结构。

梳齿式微加速度计具有灵敏度高、温度稳定性好、结构相对简单、功耗比较低、直流特性好等特点,但是容易受到电磁干扰。该类型的加速度计可以通过把若干极板面积较小的电容并连起来形成相对较大的电容以提高分辨率,而且可以制作反馈结构实现闭环控制,利于精度的提高。

3、三明治摆式电容加速度计

三明治摆式电容加速度计又称为悬臂梁式硅微机械加速度计(CMSA),是一种夹层结构的微机械加速度计,因动极板被夹在固定极板中间形似三明治(Sandwich)而得名。

                    

该结构相对比较简单,电容可动极板由中间的敏感质量硅摆片的上下两面用电镀的方法制成,与相对应的固定极板组成一组差动电容来敏感输入加速度的大小。当质量块受到加速度激励上下运动时,电容极板间距随之变化,差动电容大小发生改变,理论推导可知差动电容的大小和加速度在质量块位移较小的情况下成近似线性比例关系。

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美新MEMS电容式加速度计

美新(MEMSIC)是全球领先的惯性MEMS传感器及解决方案提供商,在拥有全球独家专利的热式MEMS加速度传感器技术之后,日前和mCube公司达成合作,获得mCube独家授权其所有惯性传感器芯片技术,至此,正式拥有了6亿片量产经验、成熟的电容式加速度计技术。

美新的电容式加速度计产品涵盖业界最小尺寸、最低功耗等丰富组合,比如1.1×1.3mm WLCSP封装电容式加速度计,被YoleDéveloppement确认为世界上最小的产品,也是业界功耗最低的产品之一。

技术优势

以最新的MC3419和MC3479三轴电容式加速度计为例,其拥有专用的运动模块,它实现了支持“任何运动”和震动检测、倾斜/翻转和倾斜35位置检测的算法。通过在高达1KHz的输出数据速率(ODR)下支持完整的16位分辨率,并针对高性能应用进行了优化。应用包括用户界面控制、游戏运动输入、手机电子罗盘倾斜补偿、游戏控制器、遥控器和便携式媒体产品

2021年1月22日 10:21
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