MEMS电容式加速度传感器
学校：哈尔滨工业大学（威海）
学院：信息与电气工程学院
专业：电子科学与技术
作者：***090260207
纪鹏飞090260208
摘要
本文从MEMS电容式加速度传感器的基本原理切入，主要介绍了该类型传感器的原理和三种主要结构：三明治式、扭摆式、梳齿式及其各自结构方面优点。

同时介绍目前应用较为广泛的集成式的基于电容原理的芯片MMA7455，主要分析了该集成传感器的内部结构和应用。

关键字：MEMS，电容式，加速度传感器，MMA7455
Abstract
In this paper, we discussed the MEMS capacitive accelerometer 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, capacitive, accelerometer, MMA7455
一、引言
1.1 MEMS 加速度传感器简介
MEMS(Micro-Machined Electro Mechanical Sensor)是微机电机械传感器的简称，它是一种微米级的类似集成电路的装置和工具。

MEMS 技术是一项有着广泛应用前景的基础技术。

以半导体技术和微机电加工工艺设计、制造的MEMS 传感器，集成度高，并可与信号处理电路集成在一起，大大降低了生产成本，已在汽车、消费电子和通信电子领域取得极大发展。

MEMS 加速度传感器按敏感原理的不同可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式、热对流式等。

本文主要介绍MEMS 电容加速度传感器。

二、传感器工作原理与常见结构
2.1 MEMS 电容式加速度传感器工作原理
电容式微加速度传感器的基本结构是质量块与固定电极构成的电容。

当加速度使质量块产生位移时改变电容的重叠面积或间距。

检测到的电容信号经过前置放大、信号调理后，以直流电压方式输出，从而间接实现对加速度的检测。

如图1所示，电容式加速度传感器由两块固定电极夹着一块活动电极。

在静止的情况下，活动电极与两块固定电极的距离均为d 0形成两个大小为C 0的串联的电容。

当加速度传感器检测加速度时，活动电极受加速度力产生位移，两个电容的d 发生变化。

根据平行板电容的计算公式：
r S C d εε= 可知两个电容的大小将发生变化。

由于此时电容值和极板间隙不是线性关系，常
常采用差动电容检测方式以解决线性问题：
00020002r r r S S
S C d d d d d d εεεεεε∆=
-=∆-∆+∆
上式在d d ∆<<时成立。

图2-1 MEMS电容式加速度传感器工作示意图
2.2 MEMS电容加速度传感器的常见结构
2.2.1三明治式
所谓“三明治”结构，就是指检测质量夹在两块玻璃片之间的结构形式，如图3-1所示。

固定电极分布在活动电极两边，敏感质量块的上下两面均作为动极板。

当有加速度作用时，敏感质量块发生摆动，一对电容极板间的间距变大，而另一对电容极板闭的问距变小，从而形成差动检测电容。

这种结构需要双面光刻，加工工艺设备较多．器件加工制造难度较大：井因为悬臂支撑梁所能承受的应力有限，这种传感器所能测量的最大加速度值较小。

图2-2三明治式电容加速度计结构示意图
2.2.2 扭摆式
扭摆式是基于三明治式，扭摆式微加速度计的两个固定电容极板设计在活动极板的同一侧形成的。

由图3—2扭摆式微加速度计的结构可以看出，位于支承弹性粱两边的敏感质量和惯性矩不相等，当有垂直于基片的外界加速度作用时，敏感质量片将围绕支承弹性粱扭转，结构电容大小发生变化，一对结构电容增大，一对结构电容减小．从而形成结构差动电容，测量此差动电容值即可得到外界输入的加速度载荷大小。

这种传感器结构比较简单，不需要双面光刻．且能进行较大加速度值的测量。

图2-3 扭摆式电容加速度计结构示意图
图2-4 跷跷板式扭摆式电容加速度计结构示意图
2.2.3疏齿式
梳齿式电容加速度计利用若干对梳齿形状的电极形成检测电容和加力电容，它的一个明显优点就是利用增加电极数的方式来增大检测电容。

梳齿有定齿和动齿两种，定齿固定在基片上，动齿则附着在检测质量上。

检测质量由弹簧支撑于基片上。

当有外部加速度输入时，动齿随同检测质量一起运动，并产生微位移，引起动齿与定齿之间电容的变化，电容的变化量可以通过检测电路检测出来，进而检测出微位移和输入加速度的值。

其键台强度高、面积大、难度低，键台接触电阻小、均匀且成品率高，提高了加速度计的分辨率和精度。

但是结构相对比较复杂，加工起来难度较大。

图2-5 疏齿式电容加速度计结构示意图
三、MMA7455三轴加速度传感器
3.1 MMA7455内部结构
MEMS加速度传感器主要有两部分：微电子技术加工的电容性机械系统（ Micro Electro Mechanical System ）和带有闭环反馈的信号转换控制系统ASIC（ Application System Integrated Circuit ）。

MMA7455内部由三轴加速度传感器、多路开关、C—V转换器、放大电路、AD转换、以及控制电路与输出
驱动电路，如图3-1所示。

图3-1 MMA7455内部结构
3.2 MMA7455应用
3.2.1 MMA7455加速度测量
MMA7455可以设置三种模式2g、4g和8g，不同模式下测量精度不同输出也不同。

根据三轴检测数据的输出与芯片工作模式可以计算出不同轴方向加速度分量大小，最后求出加速度方向与大小。

图3-2为2g模式下芯片不同放置X、Y、Z的输出。

图3-2
由图可以看出芯片纵向为X轴方向，横向为Y轴方向，垂直方向为Z轴。

对于传感器模式的选择及g值的选择强调不同的应用环境。

一般来说1.5g 适合自由落体与精确的倾斜补偿的应用，2g适合手持运动检测与游戏控制器，4g适合低振动监控、运输与处理，8g适合高震动监控与较高震动的读取。

合适选取模式可以获得较高的精确度。

3.2.2 MMA7455倾角测量
加速度传感器可以用于多种场合的检测与监控，如倾斜度的侦测、运动检测、定位侦测、震动侦测、振动侦测以及自由落体等。

利用三轴加速度传感器计算单轴倾角。

图3-3是倾角测量图解。

这时加速度输出与倾角的关系
所以γ可以用反正切方程求的
图3-3倾角测量图解
四总结
本文介绍了电容式微机械加速度传感器工作原理，结构组成以及飞思卡尔半导体公司的MMA7455三轴加速度传感器芯片内部组成、测量应用等。

电容式加速度微传感器具有灵敏度高、直流响应和噪声特性好、温漂低、低温灵敏度好、功耗低等优点。

参考文献
[1] 刘晓宁《半导体传感器》哈尔滨工业大学（威海） 2011
[2] 孙以材编著《微电子机械加工系统(MEMS)技术基础》冶金工业出版社 2009
[3] Sadra/Smith 《Microelectronics Circuits》电子工业出版社2006
[4] 王巍等基于微机械传感器的倾角传感器 2010
[5] Freescale Semiconductor, Inc. MMA7455 Device User Guide.。