电子论文-电容式、隧道式加速度计检测技术研究

  本文关键词：硅微电容式、隧道式加速度计检测技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

图书分类号
ＵＤＣ
３’

密级

韭窒

硕士学位论文

硅微电容式、隧道式加速度计检测技术研究

王玲

指导教师（姓名、职称）． 申请学位级别 专业名称 王主亟±

型焦塾攫

疆蜜堡噩厦塑煎月 ！！ 日 日

论文提交日期一！旦！！年璺 论文答辩Ｅｌ期

２１１１年一生

月一２１

学位授予Ｅｌ期——年——月——日
论文评阅人 答辩委员会主席

２００７年４月２３日

中北大学学位论文

硅微电容式、隧道式加速度计检测技术研究
摘要

随着硅微加工技术的不断成熟，硅微加速度计已经在传感器市场占据着越来越重要 的地位。传感器技术的发展也对其外围检测电路提出了越来越高的要求，对硅微传感器

敏感元件输出的微弱信号的检测是目前研究的热点之一。微小型化的传感器敏感元件必
然也要求微小型化的外围电路与之相匹配，电路的集成化是必然的趋势ａ

本文对硅微加速度计研究中的热点——电容式加速度计和隧道式加速度计的微弱
信号检测电路进行了设计、测试及标定，并对电容式加速度计及所设计的检测电路进行 了厚膜混合集成。 在了解梳齿式电容加速度计检测原理的基础上，完成了其差分检测电路的设计，为 保证其线性度和提高量程，采用了闭环反馈控制电路。测试了所设计电路的分辨率，己 达１０。６Ｆ。与电容式加速度计进行了联调，并进行了传感器的静态及动态测试，各项测 试均较理想。

对隧道式加速度计的检测原理——隧道效应，进行了介绍，并对北京大学加工的隧
道式加速度计进行了开环测试，及对系统进行了ＳＩＭｕＬＩＮＫ仿真用于指导隧道式加速
度计检测电路中参数的设定。对三轴隧道式加速度计进行了线性度测试及标定。并对真 空封装的隧道式加速度计进行了ＰＩＤ设计及仿真。 电路集成可以使外围检测电路微型化，提高电路性能和稳定性。采用厚膜混合集成 工艺完成了电容式加速度计及其检测电路的集成，对厚膜混合集成所选用的元器件、材 料及制作工序进行了详细的论述，对集成后的电容式加速度传感器进行了功能测试，可 知其分辨率较之集成前提高了一个数量级。

关键！字：硅微加速度计，微弱信号检测，电容式加速度计，隧道式加速度计，厚膜
混合集成

中北大学学位论文

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

中北大学学位论文

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绪论
１．１硅微加速度计概述

随着硅微加工技术的不断成熟，硅加速度计已经在传感器市场占据着越来越重要的 地位，小型化、智能化、集成化已成为加速度传感器的发展方向，其应用也已逐步扩展 到了工业和航天技术等领域【ｌ－２１。传感器技术的发展也对其外围检测电路提出了越来越 高的要求，微小型化的传感器必然也要求微小型化的外围电路与之相匹配；对微弱信号 的检测能力更是成为衡量外围电路性能的一项重要指标。

１．１．１基本原理及分类

加速度计可以用图１．１所示的二阶弹簧一阻尼器一质量块系统进行分析嘲，当外部加 速度作用在敏感质量块上时，改变了弹簧的应力和质量块的位移，据此可以测试加速度 的大小。用牛顿定律和上述加速度计模型，可得到加速度计的机械传输函数：

阻尼器

ｌ位移ｚ
图１．１加速度计的集总模型

肌加嚣。衣２丽１
式中，口为外界加速度，矗／ｓ：
ｘ为质量块的位移，ｉ１１；
Ｍ为共振频率，Ｈｚ：

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Ｑ为品质因子，无量纲： Ｄ为阻尼因子，无量纲； Ｍ为质量块的质量，ｋｇ。

外部加速度引起的质量块的静态位移为：

＝——ｏ＿ ６ｘ：华：二
膏’也。

，

Ｌ．Ｊ （１１．２一）

从上式可以看出，外部加速度引起的质量块的位移主要由器件的共振频率决定。 因此对于电容式加速度计的灵敏度可以用下式计算：

ｓ＝鼍＝善妄＝磊６３、百８０Ａ，瓦ａ。ｉＭ口）一筹ｋ
加
知蚀缸、瓦７劫、后７
瓦２

（ｔ．３）

式中，矗为空气的介电常数，无量纲； Ａ是传感正对面积，ｌｎ２； 以为初始传感间距，ｍ。 为了能够获得高分辨率的加速度系统，要求加速度计的灵敏度要高，噪声要小。从

上面的公式可以看出，为了能够满足该要求，可增大电容极板面积、增加振子的质量、
减小电容极板间距、减小弹性梁的弹性常数。

硅微型加速度计是一类重要的微型惯性器件，硅微型加速度计主要用来测量载体的 加速度信息，并且可以通过积分，提供速度和位移信息。 微机械加速度计有多种分类方法，表１．１列出了按不同敏感原理进行分类的加速度
计的特点的比较。

压阻式微机械加速度传感器是发展比较早，并且也是比较成熟的传感器【乳。比较典型
的产品是美国ＥＧ＆Ｇ
ＩＣ

ＳＥＮＳＯＲＳ公司生产的微机械加速度传感器，如图１．２所示。该系

列的传感器既有一维加速度传感器（如３０２２、３０２８、３１４５、３２５５等），也有三维加速度传 感器（如３３５５），测量范围有Ｏ～±２５０９，或Ｏ～＋５００９等。在军事上可用于航空航天中的 飞行导航、弹药的点火控制。在民用领域可用于汽车安全气囊、振动试验、运动控制等
（６Ｊ。

２

中北大学学位论文 表１．１各种敏感原理及其特点比较１４１ 敏感 参数 压阻式 压电式 电容式 电阻 电荷 电容 信号处理电 路 简单的电阻 电桥 电荷放大器 高灵敏度的 开关电容或 电桥电路 宽频带闭环 谐振频率 微小电流检 测电路 热敏电阻构 成的电桥 较好 较差 好 较好 线性 度

优点
制作工艺和信号处 理简单，信号较强 高频响应好，灵敏 度高 结构简单，尺寸小， 易于集成，不易受 温度影响，功耗低 重复性、稳定性好， 不易受噪声干扰， 数字化输出

缺点 温度系数相对较大，工作 温度范围窄 低频响应差，需要高阻抗 运放 信号微弱，对信号处理电 路要求高。

谐振式

谐振 频率

系统结构复杂 系统结构复杂，信号检测 电路要求高，工艺要求高 受外界温度影响大，量程 较小，信号处理电路复杂

隧道电 流式 热对流 式

隧道 电流 温度

较差 一般

灵敏度极高 结构简单，可靠性 高

图ｌ－２美国ＥＧ＆Ｇ ＩＣ传感器（３０２８、３２５５）

压电加速度计的特点在于它们具有较高的灵敏度，且能够精确地检测宽范围的动态
加速度，这使得压电加速度计不仅可用于测量瞬态冲击过程外，还可用于测量正弦振动 和随机振动。但是，压电加速度计不适用于稳态测量的场合，例如地球引力、惯性制导

或诸如发动机加速及制动等缓慢变化的瞬态过程。在压电加速度计内部，没有调整部件， 因此增加了传感器的可靠性和可重复性，能够用于极其恶劣的环境下的测量【７－ａ］。 电容式加速度传感器是利用电容原理，将被测加速度转换成电容的变化来进行加速
度测量。比较有代表性的产品是美国模拟器件（ＡＤＤ公司的ＡＤＸＬ系列微机械电容式加 速度传感器，该传感器的结构为叉指式，如图１．３所示。该传感器利用表面硅微机械加 工工艺与集成电路工艺相兼容的特点，将传感器与处理电路同时加工在一块芯片上，解

中北大学学位论文

决了电容量小、易受分布电容影响的问题。１９９３年投产以来，现在已经形成ＡＤＸＬ系列

产品吼

图１．３ ＡＤ公司的加速度计系列芯片

谐振式传感器的输出特性是频率信号，不必经过Ａ／Ｄ转换就可以方便地与微型计算 机连接，组成高精度的测控系统。同时谐振式传感器还具有无活动部件，机械结构牢固， 精度高，稳定性好，灵敏度高等特点，是一种很有前途和应用价值的传感器。直接输出频 率的谐振敏感元件有多种，如振动弦、振动梁、振动膜、振动筒等。图１．４给出了北京大 学研制的音叉式双谐振梁加速度计结构图Ｈ们。

图Ｉ．４音叉式双谐振梁加速度计结构图 美国的ＣａＵｅｎｃｈ和Ｓｔａｎｄｆｏｒｄ等四家机构联合研制的电子隧道效应加速度计，如图 １．５所示，它由压电悬臂梁、检测质量、金薄膜电极、隧道探针和控制电路等部分组成。 这种结构的主要问题是机械电气系统相互影响。为解决这一问题，新型双元件系统将检 测质量与敏感电路元件分开，隧道电流发生在悬臂梁与检测质量之间。它的分辨率可达
６ｘｌＯ’７

ｇ／√恧，也可用来测量水下声波【１１－１３］。

４

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压电悬臀粱金膜电极 宽带悬臂粟

巨三≥隶刍
变形电极 ｂ双粲隧道型

检测质量隧廷探针悬甓梁变形电极

图１．５电子隧道加速度计

热对流加速度计包含一个密闭的腔体，腔体中充有流体，其中有一个加热元件把
腔体中加热元件周围的流体加热，加热后的流体发生膨胀而密度下降，在重力的作用下

上升，周围相对冷的流体填补到空位置上，这样反复循环而造成热对流传导。器件的工作
原理如图１．６所示‘１４】，图（ａ）和（ｂ）分别表示敏感方向无加速度和有加速度时加热器周围 的气流图、等温线图和温度梯度图。敏感方向无加速度时，腔体内的加热气体只在重力 加速度的作用下发生对流，加热器水平两边相等位置上的温度相等，两个温度传感器的 输出相等；敏感方向有加速度时，腔体内的气体在重力加速度和外加速度的联合作用下

对流，加热器水平两边相等位置上出现温度差，两个温度传感器的输出就产生差异。若两 个温度传感器采用热敏电阻，可与外接的两个参考电阻构成电阻电桥，这样电桥的外界
的加速度信号就可以转化为输出电压信号：

（ａ）敏感方向无加速度时

（ｂ）敏感方向有加速度时

图１．６热对流加速度计工作原理示意图

中北大学学位论文

１。１．２电容式加速度计的国内外概况

电容式加速度计的研制最早可见于ＣｏＬ，采用扭转差分电容结构，表面微机电加
工工艺，采用分立检测电路，陶瓷封装，该种结构的器件已商业化，生产厂家有：ｗＡ， Ｉｓｓａｑｕａｈ的Ｓｉｌｉｃｏｎ
Ｄｅｓｉｎｇｓ，Ｉｎｃ、Ｆｏｒｄ

Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃ咖ｉｃｓ

Ｉｎｃ。商业器件带有分立接口集

成电路（ＩＣ），用来提供正比于加速度的脉冲输出【Ｊ５】。国外加速度计最成功的例子是美

国ＡＤ公司的ＡＤＸＬ－５０系列力平衡电容式加速度计【１６１，如图１．７所示，该器件量程
为±５０９，采用ＴＯ．ＩＯＯＩＣ标准ＩＣ封装。包含一个有微机电多晶硅悬浮梳状结构与完

整的片上双极ＭＯＳ信号调节电路，质量块移动的距离不超过１０ｈｍ。该种传感器针对
汽车气囊设计，并已获得大量应用。

图１．７

Ａｎａｌｏｇ

Ｄｅｖｉｃｅｓ公司的ＡＤＸＬ．５０型

目前，休斯公司正在研究特别要求的高灵敏度、高过载能力和高ｇ值测量的微型 加速度传感器研究。Ｄｒａｐｅｒ正在进行用于惯导和武器装备的高灵敏度、高分辨率的微

型加速度传感器的研究。其中，利用ＤＲＩＥ等先进技术研制出的加速度传感器精度达
到０．１ｍｇ，已经用于美国海军的ＥＸ－１７１增程制导炮弹【ｌ”。

清华大学于１９９９年研制成功叉指状电容式硅微加速度计；北京大学的硅微电容伺

６

中北大学学位论文

服加速度传感器灵敏度为３ｖ／ｇ。河北半导体研究所于２００２年研制的梳齿驱动硅微电
容式加速度传感器，采用正面释放体硅工艺，其非线性度为Ｏ．２％，带宽ｌｋＨｚ，灵敏

度为２００ｍｖ／ｇ。中国工程物理研究院电子工程研究所传感器研究中心在“九五”末研
制出最高量程达６０９的“叉指式静电饲服微加速度计”【ｌ町。

国内的电容式加速度计表头加工工艺己基本成熟，但处理电路一般采用分立元件
来实现，影响了其测试精度。

１．１．３隧道式加速度计的国内外概况

ＭＥＭＳ隧道式加速度计由于其潜在的高性能和广阔的应用需求，一直是研究的热 点。第一个力平衡式隧道效应加速度计产生于美国ＮＡＳＡ旗下的ＪＰＬ实验室。在ＪＰＬ 的设计中，隧道电流的两极距离为ｌＯ埃，由上下两片硅片构成，采用ＭＥＭＳ工艺加工。 随后，美国Ｓｔａｎｆｏｒｄ大学在ＮＡＳＡ资助下为水下潜艇探测和太空机器人惯性控制而继续 进行了该研究，探测精度已经达到了ｌｕｇ，而正朝着０．０ｌｕｇ努力。

图Ｌ

８

ＪＰＬ和斯坦福大学的隧道式加速度计结构图０１９１

７

中北大学学位论文

Ｍｉｃｈｉｇａｎ大学对隧道式自ｎ速度计也做了大量的研究。所设计的隧道式加速度计的
结构图，采用片上键和工艺进行制备，可实现大批量生产。Ｍｉｃｈｉｇａｎ大学所做的研究

工作主要是针对ＪＰＬ和斯坦福大学前期研究中的弱点，即驱动电压大、手动粘合单片 封装。在结构设计上，提出了降低驱动电压、兼顾其他性能的设计且标【冽。 ＭＩＴ研究的隧道电流式加速度计采用体硅工艺加工，反馈控制电路和敏感器件经过
二次集成封装在一个标准的ＩＣ基座上，其量程为５９，频率响应为０—１０ｋＨｚ，抗冲击１００９， 电极尖距离的变化从５．５埃到８．５埃，遗憾的是，其线性度并不是很好。仅为０．１９６。 Ｃｏｍｃｌｌ大学采用ＳＣＲＥＡＭ工艺制各了横向的隧道加速度计，图１．９所示为质量块 和隧尖的ＳＥＭ照片，制备的加速度计分辨率较高【２”。Ｈｕｇｈｅｓ 用表面工艺制各了量程达１００００９的高量程隧道加速度计。
ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ则采

图１．９质量块和集成隧尖的ＳＥＭ照片

美国明尼苏达大学研制了一种新型的基于高分子聚合物的隧道式加速度计嘲，并设
计了其结构、加工工艺与测试方法，验证了隧道效应，并期望在很多领域应用。图１．１０
为基于聚合物的隧道式加速度计的剖面图。

图１’１０基于聚合物的隧道式加速度计的剖面图

８

中北大学学位论文 不同单位的隧道式加速度计性能指标比较如表１．２所示。 表ｌｊ 性能 敏感类型 结构 加工 谐振频率 隧道势垒
０．１６８５ｅＶ Ｏ．２１２ｅＶ ０．３６８ｅＶ ０．０５－０．２ｅＶ ０．００６ｅＶ

２不同隧道式加速度计的比较【１９铷
Ｍｉｃｈｉｇａｎ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｈｕｇｅｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｌａｂ

Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ
ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ｓｔａｎｄｆｏｒｄ ｕｎｌｖｅｒｓｉｔｙ

Ｃｏｍｅｌｌ
ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

纵向 膜 基于聚合物
１３３Ｈｚ

纵向 悬臂梁 体硅
１００Ｈｚ

纵向 悬臂梁 体硅
６４０Ｈｚ

纵向 悬臂梁 体硅
７１ｋＨｚ

横向 梳齿

表面硅
４．６ｋＨｚ

高度 分辨率

０．２５蚓√丽
±１．５ｍｇ

０．４倒√磊
Ｏ－ｌｉｎｇ

０．１ｍｇ／ｄ－面
－２０ｔｏｌｏｍｇ

８５．ｇ／，／－酝
Ｏｖｅｒ １０４９

２０．ｅ矿４－酝

动态范围 灵敏度 带宽

２６Ｖ／ｇ
６．３ＫＨｚ

４４Ｖ／ｇ
１．５ＫＨｚ

１３３ｍＶ／ｇ
２ＫＨｚ

７．９ｍＶ／ｇ
５００Ｈｚ

０．２３ｍＶ／ｇ
４．６ＫＨｚ

我国清华大学、东南大学、信息产业部十三所、北京大学等单位也曾作过ＭＥＭＳ 隧道传感器的研究。清华大学设计和制备了基于表面工艺的纵向隧道式加速度计并研究 了采用ｌａｂｖｉｅｗ软件对隧道加速度计输出信号进行处理的方法１２５－２６］；东南大学利用浓硼 自停止腐蚀工艺设计和制备了扭摆式隧道加速度计伫７－２９１；信息产业部十三所利用浓硼扩

散自停止腐蚀工艺制备了三明治结构的微型隧道式加速度计，完成了隧道加速度计的闭 环测试１３０】；北京大学基于硅玻璃键合深刻蚀释放工艺的扩展工艺，加工出了微型隧道加 速度计。采用ＨＰ４１４５Ｂ半导体分析仪在大气环境下对所加工的器件进行了开环测试，
验证了隧道电流的存在以及隧道间隙与隧道电流之间的指数关系。实验结果外推出的隧 道势垒的范围为１．１８２～２．１７７ｅＶ。大部分器件的开启电压在１４～１６Ｖ之间。在一１，０和 ＋ｌｇ三种状态下对开启电压分别进行了测试，得到加速度计的灵敏度约为８７ｍＶ／ｇ［３１－３３］。 图１．１１为北京大学隧道式加速度计的加工版图。

９

中北大学学位论文

图１．１ｌ隧道式加速度计的加工过程 １．２硅微传感器微弱信号检测技术

１．２，１微弱信号检测技术概述【３４．３６】

随着科学技术的发展，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测（如弱光、小位移、微振 动、微应变、微温差、弱磁、微电流、低电平电压等）越来越受到人们的重视，因而逐 渐形成微弱信号检测（Ｗｅａｋ
ｓｉｇｎａｌ

Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，简称ＷＳＤ）这门新兴的分支技术学科，应

用范围遍及光、电、磁、声、热、生物、力学、地质、环保、医学、激光、材料等领域。 微弱信号检测技术是采用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原

因和规律，研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号。微弱信号
检测的目的是从强噪声中提取有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出

信号的信噪比。对微弱信号检测理论的研究，探索新的微弱信号检测方法，研制新的微
弱信号检测设备是目前检测技术领域的一个热点。 检测有用微弱信号的困难并不在于信号的微小，而主要在于信号的不干净，被噪声 污染了、淹没了。所以将有用信号从强背景噪声下检测出来的关键是设法抑制噪声。提 高信号检测灵敏度或抑制、降低噪声的基本方法有二： （１）从传感器及放大器入手，或降低它们的固有噪声水平，或研制和设计低噪声

１０

中北大学学位论文

放大器，例如对直流信号采用斩波稳零运算放大器（如Ｆ７６５０），对交流信号采用ＯＰ系
列运算放大器等； （２）分析噪声产生的原因和规律，以及被测信号的特征，采用适当的技术手段和 方法，把有用信号从噪声中提取出来，即研究其检测方法。 除噪声外。信号通道中还可能存在干扰。干扰与噪声有本质区别。噪声由一系列随 机电压组成；而干扰通常都有外界的干扰源，有些为周期性的，如工频干扰、同频干扰

等，有些为瞬时的，如冲击电压、电或磁的干扰等。干扰对微弱信号的检测同样是有害
的，但可以根据干扰源的不同特点，采取相应措施加以消除。

１．２．２硅微传感器减小系统噪声的措旋【３７－３９１
一般硅微传感器输出的都是模拟信号，而且这一信号非常微弱，例如电容式硅微加 速度计中，电容变化量很小，通常在ｌＯ。５Ｆ左右，且受温度、杂散电容、电磁干扰等的 严重影响，检测这一电容信号并将其转换成电压信号输出的测试电路的实现难度非常 大。事实上，目前在国内外硅微机械加速度计的研制过程中，传感器输出的微弱信号的

检测一直是困扰研究人员的突出问题。
对于我们所研究的微器件，尺寸微小是其基本特征，由于微尺寸效应，导致微传感 器的输出量衰减到微弱信号级，如运动位移、振幅及变形４，Ｎ亚ｔｕｎ和ｎｌｎ量级。将他们 变换成可供接受和处理的电信息时，相应的电压量小到Ｈｖ、亚ｐＶ乃至ｎｖ，电流量小 到ｎＡ，电容量小到（１０“５口１０‘１８）Ｆ。由于微机电装置产生的输出信号如此微小，任 何放大电路在此情况下都存在背景噪声。为了把如此微弱的有用信号从强噪声背景下提 取出来，从设计上考虑，一般采取以下措施： １．采用调制解调型前置放大电路 对于调制解调型微机械加速度计，解调器之前的低频电路噪声不会对有效信号造成 影响，故噪声可以通过调制、解调得以抑制。所以，减小解调后的信号的放大倍数，使 系统的增益主要集中在解调器之前，可以减小整个系统的低频噪声。同时应注意载波高 度稳定。对于解调器之后的电路，由于工作的频段和低频噪声的频段相同而很难消除。

中北大学学位论文 ２．滤波处理 在大部分检测仪器中都要对模拟信号进行滤波处理，有的滤波是为了隔离直流分

量，有的滤波是为了改善信号波形低频段的噪声、１／，噪声和缓慢漂移，包括时『自Ｊ漂移
和温度漂移。 ３．采取屏蔽措施

在布线的过程中要注意运算放大器输入端的屏蔽。通常在电路板的两面都用引线将
两个输入脚包起来，接到合适的屏蔽电位上，以减小经运算放大器输入电容溜走的漏电 流。整个加速度计电路需要置于电磁屏蔽的密封中，以尽可能地减小外界的干扰。

饔交电源滤波

’

在电源线和地线之问接入去耦电容，可以减小电路中有电源线带入的干扰。 ５．设计低噪声的静置差动放大电路 由于微机械加速度计的信号十分微弱，前置放大电路是非常重要的，应采用噪声极 微弱的对管组成前置差动放大电路。 ６．采用集成电路 对于微弱信号，很容易受分布电容以及外界强信号的干扰，因此将加速度计整个电 路集成，势必有利于噪声的减小和有用信号的拾取。 ７．增大敏感质量 检测质量越大，它受分子运动的影响就越小，机械噪声也就越小。 ８．适当真空封装 将微机械加速度计适当抽真空加以封装，可有效减小阻尼，增加敏感元件的Ｑ值， 进而减小机械噪声。
９．

从反馈补偿和闭环控制系统角度考虑 为了把某种幅度较小的被测量检测出来，一般都要对其进行变换和放大，使其以人

们能够感知的方式呈现出来。而变换和放大的过程不可避免地会引入一些干扰噪声，影 响输出指示的信噪比和输出精度。反馈补偿法能有效地减小这些干扰噪声的不利影响。 对于输入或干扰引起的误差，可以从闭环控制角度考虑进行抑制。

中北大学学位论文 １．３集成电路概述Ｉ抛。１

集成电路是指组成电路的有源器件、无源元件及其互连线一起制作在半导体衬底上
或绝缘基片上，形成结构上紧密联系的、内部相关的整体电子电路。它可分为半导体集 成电路、膜集成电路、混合集成电路三个主要分支。

１．３．１半导体集成电路

半导体集成电路是指用外延、氧化、光刻、扩散以及离于注入等半导体工艺将电子 元器件一起制作在半导体衬底上，并用ＰＮ结或介质生长法进行隔离，用金属蒸镀进行 互连所构成的集成电路。

１．３．２膜集成电路

膜集成电路即指构成电路的电子元器件，以膜的形式淀积在绝缘基片上所形成的全 膜化电路，它又可分为厚膜集成电路和薄膜集成电路两类。 ａ．厚膜集成电路

厚膜集成电路是指采用丝网漏印、高温烧结成膜、等离子喷涂等厚膜技术，将组成
电路的电子元器件（导电带、电阻、电容、电感，二极管、晶体管等）以膜的形式制作在

绝缘基片上所构成的集成电路。因为厚膜元器件的膜厚一般为几微米至几十微米，与薄
膜元器件相比，厚度较厚，因此称为厚膜集成电路。 ｂ．薄膜集成电路 薄膜集成电路是指用真空蒸发、溅射、光刻为基本工艺的薄膜技术，将组成电路的 电子元器件，以膜的形式制作在绝缘基片上所构成的集成电路。由于薄膜元器件的膜厚 一般为１微米以下，相比之下较薄，故称为薄膜集成电路。

１．３．３混合集成电路

中北大学学位论文 虽然厚、薄膜技术在制造无源元件方面已十分成熟，但迄今为止，仍不能大量生产

出质量稳定的有源器件，因此全膜化问题，无论厚膜还是薄膜均未真正解决。全膜化的
膜集成电路尚需解决许多关键技术，改进性能，提高质量，降低价格，才能付诸实用。 另一方面，半导体技术在有源器件制造方面虽已非常成熟，然而至今尚不能制造出性能 优良的精密无源元件。因此这两者的优点结合起来形成的混合集成电路就能在很多方面

满足电子设备的需要。这就是近年来混合集成电路在广阔范围内仍在不断发展和日益完
善的重要原因。

综上所述，混合集成电路就是采用混合技术制造的集成电路。它是将膜集成技术制
造的无源元件与半导体技术制造的有源器件（包括半导体集成电路芯片）采用灵活的组 装技术组装在绝缘基片（也可以是半导体衬底上）上所形成的集成电路。

１．３．４三种集成电路的特点及比较

半导体、薄膜和厚膜集成电路之间的比较如表１．３所示１４２】：下面分别介绍其优缺点。 表１．３半导体电路、薄膜电路、厚膜电路的特点比较 半导体电路 电路设计 难易程度 试制周期 薄膜电路

厚膜电路
选择和设计的自由度大， 修改设计非常容易 约ｌＯ天

选择和设计的自由度受 选择和设计的自由度大， 限，修改设计困难 约三个月 性能比分立元件稍差，寄 性能比分立元件稍差，寄

修改设计容易
约２０天

高频、高速 生效应大，不适于微波应 生效应减小，适于微波应 性能

同左，微波应用比薄膜

用增益带宽乘积１００删ｚ
用，增益带宽积１０００～ＩＨｚ 以上 大批量生产成本低，不宜

差，增益带宽积４００删ｚ

生产成本 小量生产

较高

低

数字电路，脉冲电路，模 阻值较高精度很高的电 高阻值、高精密电路，高 适用电路 拟电路，差动放大器有源 路，超高频电路，模拟电 压、大功率电路模拟电

１４

中北大学学位论文

１．４论文的主要工作

本论文主要对目前微加速度计研究的热点——电容式加速度计和隧道式加速度计，
设计检测电路，与电容式和隧道式加速度计表头进行了联调和测试，并进行标定。为减 小体积，提高电容式加速度计的检测精度，通过厚膜混合集成工艺，将检测电路和电容

式加速度计进行了集成。主要的工作有： １．大量的收集了国内外微机械加速度传感器的发展及现状的相关资料，并总结出了目
前主要的硅微机械加速度传感器的工作原理及技术指标以及目前发展的趋势： ２．针对目前国内研究的薄弱环节，结合微弱信号检测的知识，从电路设计和增加集成 度两个方面来提高加速度计的检测精度。

３。对目前研究的热点——电容式和隧道式加速度计，进行了较为系统的研究，在所设
计的检测电路的基础上，进行电路测试和系统测试，并进行标定。

４．在分析现有集成电路优缺点的基础上，选择了厚膜混合集成对电容式加速度计和后
续处理电路进行了集成，并进行了功能测试。 本论文的安排如下： 第一章：绪论。对微惯性加速度计及其国内外发展动态进行了初步论述。重点介绍

了目前研究的侧重点——电容式和隧道式加速度计的国内外的研究现状进行了概述，重
点分析了我国与国外还存在差距的方面。对ＭＥＭＳ系统微弱信号检测进行了概述，提

出了提高系统检测精度的一般原则；对现有的集成电路进行分类论述，并在分析其优缺 点的基础上选择厚膜混合集成来提高检测精度。 第二章：硅微电容式加速度计检测技术研究。在本章中，对电容式加速度计的检测
技术进行了概述。在基于检测原理的基础上，结合梳齿式加速度计表头的优点，在分析 系统噪声来源的基础上，设计梳齿式电容加速度计的检测电路，为保证其线性度和提高

量程，采用了闭环反馈控制电路。对电路进行了性能测试，其线性度较好。 第三章：隧道式加速度计检测技术研究。在本章中，对隧道式加速度计的检测原理

中北大学学位论文

——隧道效应，进行了概述，设计了闭环检测电路来检测隧道式加速度计，势对三轴隧
道式加速度计进行了线性度测试。 第四章：电容式、隧道式加速度传感器的测试。将所设计的检测电路应用于电容式 加速度计表头，并进行系统的静态线性度、噪声测试及动态噪声、频谱测试。对隧道式

加速度进行开环测试，通过测试，反映表头对外围检测电路精度的要求非常之高。对系
统进行ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真来指导电路设计中参数的设定。所设计的电路应用于北京大学

所加工的隧道式加速度计，进行了噪声测试，并对真空封装的隧道式加速度计进行ＰＩＤ
设计及仿真。 第五章：厚膜混合集成电容式加速度计的制作。对厚膜混合集成电路所选用的元器

件和材料进行了详细的论述，并对工艺过程及其可能存在的问题进行了分析。并对集成
后的电容式加速度传感器进行了功能测试。

１６

中北大学学位论文

２硅微电容式加速度计检测技术研究
２．１电容式加速度计的工作原理

有物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容为

ｃ＝等
ａ

（２．１）

式中：占二一两个极板间介质的介电常数，无量纲；
ｓ——两个极板相对有效面积，ｎ１２；
ｄ——两个极板间的距离，ｍ。
有上式可知，改变电容ｃ的方法有三种，其一为改变介质的介电常数占；其二为改 变电容的有效面积Ｓ；其三为改变两个极板间的距离ｄ。从而得到电参数的输出为电容 值的增量ＡＣ，这就组成了电容式传感器。

根据上述原理，在应用中，电容式传感器可以有三种类型——即变极距型，变面积
型和变介电常数型【４３１。 电容式加速度计采用的是差分变极距型，图２．１为其检测原理图。即为电容式加速 度计的可动质量块与极板问关系的基本原理图，上下极板为固定齿，中间可动质量块为 电容的动齿。上下两个极板与中间质量块形成差分电容［４４１。
Ｖｈ．

［二三］Ｔ喜
¨ ¨

鱼三堕上审

——————蕊丁Ｇ ———习萧丁。
（ａ）

雩；
西＝ｄｏ＋ｚｌｄ

Ａ－Ｇ

图２．１可动质量块与差动电容极板闯关系及其等效图 （口）加速度为零；（６）加速度不为零时质量块发生偏移； （ｃ）等效电路图

加速度传感器在加速度口的作用下，敏感质量块电容极板相对于壳体位移发生改变 △ｄ，则有表达式：

１７

中北大学学位论文
Ｆ＝ｍ口＝／ＣＡｄ （２．２）

其中Ｋ为支撑质量块悬臂梁的弹性系数。 当其中电容器ｃ．的电容随位移ａｄ的减小而增大时，另一个电容器Ｃ：的电容则随着 △ｄ的增大而减小。 Ｃｌ

２和ｅｏＡ＝ｃｏ壶
蟊
矗

（２．３）

ｃ２２硒ｓｏＡ＝ｃｏ走
测电容约在１０。～１０“的量级，即可以满足Ｍ／ｄ＜＜ｌ的要求，故电容变化量为；

（２．４）

而对于硅微电容式传感器，由于其低量程、高精度的特点，电容的变化量相对于检

△ｃ＝ｑ—Ｃ２＝２ｃ０等
从上式可知，电容的变化量与间距变化量成线性交化。 ２．２系统的噪声

（２．５）

对于小信号而言，系统的噪声就表征了系统的最小分辨率。系统的噪声主要来源于 机械结构的机械噪声、热噪声和来自测量电路的噪声。其引入噪声的途径如图２．２所示
【４５ｌ：

布朗噪声

电子噪声

图２．２系统引入噪声的方框图

２．２．１机械敏感部分的噪声阳

１８

中北大学学位论文 机械热噪声主要是有系统周围空气的布朗运动引起的，即布朗噪声，器件的最小探 测加速度即分辨率有机械热噪声决定。 布朗噪声力的功率谱密度为：

严∽＝ｋ绍
式中如为玻尔兹曼常数（１．３８ｘ１０。Ｊ瓜），Ｔ为绝对温度，Ｂ为阻尼力系数。
对于电容式传感器其机械热噪声的等效加速度谱密度为

（２．６）

肚４ｋ川ＢＴＢ［（ｍ／ｓ２）２Ｈｚ－］
Ｍ２

ｌ

亿，，
‘ 。

式中，Ｍ为振子质量，则等效噪声加速度为

％＝４肘ｋ，ｆ硒ＴＢ Ｌ［ｍ尼／ｓ２］
加速度ａｎ＝１．７９１ｘｇ／ｘ／－面，所以从设计角度来说至少可以分辨１．７９Ｉｘｇ。

唾ｐ

若设计的加速度传感器吖＝０．７４ｘｌ矿Ｋｇ，阻尼力系数Ｂ＝１．０８６×１０－３，则等效噪声

２．２．２检测电路部分的噪声

１．电容式加速度计的噪声模型【４７】

图２．３传感器检测电容噪声模型
Ｃｐｌ、Ｃｐ２为输入和输出端寄生电容，Ｃｐ３为传感器检测电容的并行寄生电容，Ｐ．ｐｓ 为串联寄生电阻，Ｒｐｐ为并联寄生电阻。

１９

中北大学学位论文 对传感器电容的测量，必须尽量减小寄生电容和寄生电阻的影响。我们在设计检测

电路时，充分考虑到了这点。
２．检测电路噪声 由于所测对象本身为微弱量，受各种不同传感器灵敏度约限制，所得到的电量还是 小信号。在信号检测的电路设计中，一般信号都需要经过一级或多级的前置放大。此时 的信号中所包含的噪声包括两个方面：一是来自电路检测系统的外部，例如市电干扰、 温度涨落、以及宇宙射线等。克服这类噪声的办法是采用严密的电磁屏蔽；二是由于蔚 置放大所带来的噪声，这类噪声不能通过屏蔽的办法克服，只能通过选用性能优越的前 置放大器以及低噪声电路来使噪声的影响最小，其中性能优越的低噪声前置放大器是其 中的关键。

２．３检测电路设计的理论基础
２．３．１偏置电压和驱动电压极性的选取

为测量电容式传感器的电容变化，通常需要一定形式的电压驱动信号，电压驱动信 号产生的静电力作用在移动电极上，干扰器件的测量［４９－４９１。进而影响到器件的精度。此

时，在电容式加速度计运动极板上的作用力主要有四种：被测物理量产生的作用力、支
撑结构的弹性恢复力、阻尼力和驱动信号的静电力。 Ｐｕｅｒｓ和Ｌａｐａｄａｔｕ［５０ｌ发现单边驱动信号产生的静电力在测量过程中会导致偏移误 差，如果超过临界电压，会使敏感结构失效。ＬｉＩ”】分析了开环电容式加速度计的静电力， 提及如果没有反馈电压，直流偏置电压会有正反馈效应，加速度计的灵敏度和使用范围 可以通过改变偏黄电压来调整。但是没有分析在开环模式下，偏置电压极性对传感器的 影响，Ｂａｏｔ蛇１分析了静电力在三种情况下对电容式传感器测量的影响：单边驱动、双边 驱动、有电子机械反馈的双边驱动，并讨论了驱动信号对输出偏移、灵敏度、可动电极 和固定电极问吸合的影响。

中北大学学位论文

图２．４双边驱动加速厦计不恿圈 上图所示为一双边驱动结构。不考虑阻尼情况下，当运动极板因惯性力而产生较小 位移ｘ时，质量块的力平衡方程为： Ｅ＋小口一ｈ＝０
（２．９）

式中Ｅ为静电驱动力，ｍａ为惯性力，ｋ为弹簧的刚度系数。运动极板两端的电容大小分

别为：印Ｃｏ‰ｘ＋。石，ｃ２－Ｃｏ％Ｘ—ｏ石，
Ｘｏ为电容初始间距。输出电压为：

％铂丧ｃ㈧，＝％孚
如果Ｋ＝一圪＝Ｅ，则输出电压为暑｛乏Ｅ，在小位移情况下有：

弦㈣

ｃ－一Ｇ＝ｃｏ（赤一去］＝ｃｏ坐ｘ０２＿血．２＊＿２Ｃｏ
性关系，这也是电容式传感器检测的原理·

亿…
Ａ而ｘ

所以在小振动情况下，输出电压为：％。一垒圪，输出电压和运动极板的位移成线

通常情况下，驱动电压由交流分量和直流分量组成，信号组成方式为±％±Ｋ ｓｉｎｗｔ，
作用在运动极板Ｅ的静电力为：

２ｌ

中北大学学位论文

Ｅ＝等［禹一禹）
。２‰２ｌ（１一习２（１＋髫）２ Ｊ
ｌ和％为驱动电压，Ｖ：ｊ＝ｘ／瓯。

汜㈣ ……

式中，Ａ为极板面积，ｍ２；蟊为电容极板的起始间距，ｍ；岛为介电常数，无量纲；

当传感器两边为双边驱动时，对于同样大小的驱动电压，无论极性如何，其对传感 器的静电力效应是相同的，在较小的位移王时，驱动信号对运动极板的作用力随着ｊ增 大而增大，所以静电力对运动极板产生正反馈效应。该效应使传感器的可靠工作范围降 低，从而容易导致吸合效应，但是由于正反馈，使传感器系统的有效刚度系数降低，可 以使传感器灵敏度增加瞪３１。 对带电压反馈的双边驱动，偏置电压为正．正配置时，也可以达到偏置电压为正．负

配置的效果，即该配置也使反馈电压产生电子机械负反馈效应，从而改善力反馈电容传
感器的线性度。而偏置电压为负．负或负．正配置时，由于此时反馈电压产生电子机械正 反馈，应用这种偏置电压配置，可以改变传感器系统的有效刚度系数，从而改变传感器 的灵敏度，但是，此时传感器的可靠工作范围会改变。驱动信号的偏置电压极性可根据 对传感器的线性度、灵敏度、稳定性等的要求进行选择。

２．３．２闭环控制理论与方法

微加速度计工作在开环状态时量程相对较小，满刻度测量时支撑梁会发生大变形而 导致结构出现非线性问题，工作带宽比较窄，这些弱点直接影响开环加速度计的性能和 应用范围。为了显著提高传感器的性能，需对其进行闭环控制，而电容式微加速度计为 实现闭环控制提供了良好的接１：３。微加速度计的位移检测电容器能够在施加电压的情况 下产生静电力，这个静电力就是良好的反馈要素，平衡引起惯性质量发生位移的惯性力。 这样电容既作为位置检测单元，又是静电力反馈单元，根据位置检测的结果，分析比较 后产生控制电压叠加到固定电极上或者中间极板上，利用电容的静电吸引力将惯性质量 拉回到平衡位置，闭环原理如图２．５所示。通过此静电力平衡闭环控制，能够降低系统 的检测噪声，增加微加速度计的测量范围，提高传感单元的动态特性，同时避免支撑梁

中北大学学位论文 由于发生大形变而产生的非线性问题【堋。 （１）闭环控制原理

图２．５电容式加速度计闭环控制原理图

静电反馈方式采用图２．４所示的中间极板静电反馈方式，这样可以形成闭环控制。
闭环电路实现框图如图２·５所示，电路实现方法如图２·６所示。 躲：

图２．５电容式加速度计闭环检测电路原理框图 上图中的偏置电压是通过可调电阻分压来得到的，Ｃ－Ｖ转换电路实现电容到电压的 线性转换，经差分放大电路后，实现了差分电容的线性放大，经全波整流、低通滤波后 能线性地反映加速度输入的量。 （２）闭环控制模型分析 微小差分电容检测电路包括Ｃ－ｖ转换电路、差分放大、全波整流电路和低通滤波电

中北大学学位论文 路。从上节分析可知，在工作范围内每个环节对于信号幅值面言基本上都是一个比例放 大环节，从差分电容到低通滤波之间的传递函数即为：

量：墨生；！鲨
ＡＣ ２Ｃ，

（２．１３）

式中：Ｊ０是差分放大环节增益；如一。是全波整流和低通滤波环节增益；珞是高频
载波信号的幅值：ＣＩ是Ｃ—Ｖ转换电路的反馈电容。
当动极板偏移ｚ时，差分电容的差值为：

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

（２．１４）

式中：Ｎ为单侧动齿的数量：Ｓ为梳齿重叠面积。Ｘｏ为差分电容初始间距。 对于闭环控制，动极板的偏移相对于电容间距非常微小，即ｘＤ‰。则上式中ｘ的 二次项可以忽略不计。 联立式（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，等式右边所有的变量都为固定值，输出电压与极板位移之间的传递函
数为比例环节。 如果反馈电压是测量电路的输出电压，则静电力反馈单元的传递函数为：

垒：２鱼坠；足，
％
而
’

（２．１６）

式中：‰为静电反馈力：屹为载波信号里的直流量；４。是反馈放大增益。
明显这个等式右边也是常数项，静电力反馈环节也是～比例环节。考虑施加静电力 反馈时差分电容间距不等的情况，有图２。６可知：

■＝磁Ｖｏ＝磁巧工
可得静电力：

（２．１７）

中北大学学位论文

％＝ｚ警一２警矗＝警”去嵫
则静电力的传递函数即为：

隰㈣

等＝ＺＣ‰ｏＶ。（１、一矗Ｍ
％
‰

、％＆髟’

７

（２．１９）

显然上式右边各参量都是常数，由此可得在间距不等的情况下，线性化以后的静电 力对反馈电压的传递函数也是一个比例环节。 如果不添加任何补偿和控制网络，由此直接形成的闭环控制框图即为：

图２．７静电力闭环反馈控制
有上图可知系统的闭环传递函数为：

—Ｖｏ（—Ｓ）：————————墨二———一
Ｆｏ（ｓ）

（２．２０）

Ｍｓ２＋Ｄ（ｓ）＋（々＋髟Ｋｊ）

根据Ｒｏｕｔｈ．Ｈｔｍｖｔｉｔｚ稳定性判断可知，微加速度计的闭环控制系统是稳定的控制系
，

统。 很显然，在反馈条件下工作的加速度传感器，其量程要比开环工作时大得多，稳定 性、线性度、精度都要高，但灵敏度将降低。可见，闭环工作的特点就是以牺牲增益为 代价来换取高的量程和其他一些性能指标。

中北大学学位论文

２．４硅微电容式加速度计检测电路设计
２．４．１常规微小电容的检测

电容式加速度计的输出电容一般只有几皮法，并且随着ＭＥＭＳ技术的不断发展， 微器件的尺寸越来越小的趋势非常明显，其输出电容也随着尺寸的减小而减小。因此， 电容检测就显得十分重要，设计高灵敏度的检测电路对小电容进行检测对于提高传感器 的性能起着至关重要的作用。如果电路灵敏度不高，则小电容信号很可能湮没在噪声信 号中。因此，要求检测电路要有足够高的灵敏度。从目前已有的小电容检测电路来看， 主要有以下几种典型的方式ｆ５副： （１）将电容信号转化成频率信号，即输出信号频率的变化反映了测量电容的变化。 在这种形式的电路中大多采用振荡器的形式，并且电路中的其他电容、电阻的实际值与 标称的误差要很小，才能保证测量的准确性。图２．８是利用该法进行小电容测量的一种 典型情况。待测电容通过恒定电流充、放电，充、放电由模拟开关控制，模拟开关的通

断由输出方波控制。迟滞比较器有两个阂值电压Ｋ＋和屹＋，两个比较器输出作为多路器 的输入。从而将电容两端的信号转化成方波信号，输出电压的频率与恒流源、比较器的
ｌ

＿ＩｚＴ阈值电压及未知电容的电容值有关，其频率值为，＝

２（圪＋一ｋ）Ｃ

静 一，字 ［挑占 卜眠行
图２．８将电容转化为频率信号的测量电路原理图 （２）用相位测量法，这种测量方法以滤波器的基本原理作为测量的基本依据。在 低通滤波器中，输出信号与输入信号之间相位会产生滞后，该相位差为妒＝喀。（ｏＪＲＣ）。 如果测量电路的输入信号频率，电路中电阻的阻值确定的话，那么就可以利用这一关系

中北大学学位论文 来确定未知电容的电容值。 （３）采用开关电容电路，开关电容电路可以比较方便地把传感器和测量电路进行 集成，因此在器件向微型化发展的形式下，开关电容在小电容信号处理方面有着很大的 优势。利用开关电容电路，通过一定频率的时钟信号控制开关的通断，使电容在一定的 时间内充、放电，从而把未知电容转化成电压信号、数字信号或频率信号。如图２．９（ａ） 所示的电路将未知电容信号转换成直流电压信号。如图２．９（ｂ）的电路的输出信号为数字

信号，计数器的输出与未知电容值成比例。
●ｌ

屺

Ｖ

Ｖ一＝鲁Ｖ一

㈨拶蝣“
ｐ———一

图２．９开关电容检测电路 （４）采用调制解调型电路，调制解调型电路是将敏感加速度的电容变化的低频信

号调制成高频交流信号，经过交流放大，然后解调还原成对应输入加速度变化的低频信
号。为了测量微弱信号，必须减小缓冲器输入端的寄生电容。普遍采用的一种敏感结构 为差动电容敏感结构，差动电容敏感结构对温度变化不敏感，有极佳的灵敏度，制造工 艺简单。但是由于微机械电容敏感式力学传感器的电容量在几皮法左右，变化量更小， 要提取如此小的电容变化信号，对配套电路的要求很高。

２．４．２差分电容式加速度计检测电路设计

因小电容输出时信噪比较低，分立元件电路中的干扰和噪声使得有用的输出信号
容易淹没在噪声中，对于这种情况，调制解调处理是提高输出信号信噪比的有效方法， 可以避丌低频噪声区。基于调制解调原理的微小电容检测电路的基本检测框图如图２．１０ 所示。 高频载波通常可选择方波或正弦波。方波产生容易，且电路结构简单，但对其电 路性能要求较高；正弦波产生比较复杂，对电路的温度性能要求较高。本设计中采用方

中北大学学位论文 波激励。 图中的静电调节通过偏置电压的作用，调节定齿与动齿的初始间距，固定初始输出

值。通过电荷放大器实现Ｃ—＿ｖ转换，全波整流后再滤除高频载波，可实现解调输出。

－’一’一‘一

图２．１０硅微电容式加速度计检测电路图 下面分别介绍各模块的功能及仿真、调试波形。 （Ｉ）方波信号发生器ｆ５６１ 其基本电路组成为：用滞回比较器作开关，Ｒｃ组成积分电路，即可组成矩形波产生

电路。电路图如图２．１ｌ所示：电路是通过电阻Ｒ和稳压管对输出限幅ｔ使它们的稳压
值相等，则电路输出电压正、负幅度对称。利用比较器和积分电路的特性即可得到矩形 波。

中北大学学位论文

图２．１１方波信号发生器电路图 其振荡周期为：

卜ｚ墨ｃ蚺争
从中我们可以看到：改变置、ｃ或坞、玛均可改变电路的振动周期。
其调试波形如图２．１２所示，

（２．２１）

图２．１２测试方波波形图 可看出上图方波不太平滑，纹波较严重，后续电路要通过稳压管来保证方波的平滑 度。

（２）Ｃ－Ｖ转换电路

在本电路中实现差分电容到差分电压的转换，以便进行后续的处理，为了测试的准 确性，对两路信号的ｃ—Ｖ转换最好使用同一芯片的不同运算放大器来实现，这样其内部 参数一致性较好，且选用一致的电阻和电容，来实现两差分电容的对称电压输出。 １．电荷放大器电路 测量原理是利用典型的微分电路，利用流过电容的电流与电容两端电压之间的微分 关系来组成微分电路，由于“虚断”，所以之＝‘，又由于“虚地”，‰＝一‘矗＝一之Ｒ，

中北大学学位论文

所以‰＝‘Ｒ＝ｔＲ＝一Ｒｃ号笋＝一只ｃ等，即输出电压与输入电压的微分、与电容值和
电压值成正咄锕。

图２．１３微分电路图 一般实用的微分电路如图２．１３所示，也是本设计的微小电容检测电路，将兄串接

＆１，将（ｙ并接彤＋，增加了高通滤波特性，可以抑制原始电路的高频噪声。通过调整（ｙ 和可的值，使输出波形如图２．１５所示，这样的波形便于后续处理。
魁

图２．１４微小电容检测电路图

｛
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、

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＼

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ｌｖ／ｄｉｖ

／
ｙ
｜

厂
＃

／
／１

ｌＯｍｖ／ｄｉｖ

图２．１５输入、输出波形图

运放要采用具有极高输入阻抗的运放，ｅ，为加速度计的差分电容对之一。Ｇ为标

准反馈电容，选取合适的反馈电阻Ｂ，使时间常数Ｇ邱远大于载波周期，以避免输出

３０

中北大学学位论文 波形失真。 由运放的特性可知，反相输入端虚地，所以寄生电容对电路的输出没有影响。当运

放开环增益很大时，运放反相输入端和正相输入端可以近似地认为没有电势差。
“１和职的关系为：

ｕ１：业ｇ！生Ｕ／
、＋ｉｗＣＦＲＦ

（２．２２）

ｆ足够大，则Ｇ彤口１，则ｕｌ＊罢ｅ·，实现了Ｃ－ｖ的线性转换，且为减小外围
电路的寄生电容，尽量采用较高的调制频率。 此电路也被认为是电荷放大器电路，前面的电压信号经电容ｅ，转化为电荷信号，

经电荷放大器，再转化为电压信号，ｃ；、岛和运放构成电荷放大器，Ｇ和砟相并为
低通滤波，其滤波频率为１／２万Ｒ，ｃ，，所有能通过频率的叠加为所需要的波形，具体可

通过仿真来调配电容和电阻值，Ｇ的大小决定信号的灵敏度，彤越大越好，来稳定输
出。

２．Ｔ型电阻网络简介 在进行电荷放大器电路设计时，为了保证一定的转换精度和较大的适应范围，要求 转换器有低的输入阻抗及输出阻抗。 由于运算放大器的开环输入电阻不是无穷大而是一个有限值，它本身的输入偏置电 流Ｉ。不为零，所以总是有误差存在，因此为了获得高精度的电荷放大器，必须选用开环

输入电阻高、Ｉ。小的场效应晶体管输入型运算放大器。但这种运算放大器的Ｉ。会随温度
上升而成倍增加。采用Ｔ型网络电路组成的电荷放大电路能取得很好的效果【５８】。 有焉、局和坞构成的“Ｔ型”电阻网络等效电阻为：

‰＝墨＋丢弓＋局

（２．２３）

而输入端电阻很小，主要有墨产生的噪声电压决定，故Ｔ型电阻网络电路中噪声电

中北大学学位论文 压可以得到有效的降低。

图２．１６

Ｔ型电阻网络电荷放大器示意图

这样，就组成了低噪声前置Ｃ—Ｖ转换电路，在电容大小相等时，其电路输出如下图 所示：

图２．１７经Ｃ—Ｖ转换后的两路电压输出波形图 通道１和通道２分别为差分电容式加速度计的两端输出结果，这样的波形类似于正弦 波，便于后续处理。 （３）反相电路和反相加法运算电路

中北大学学位论文

５ｌ置

图２．１８反相电路和反相加法运算电路 上图为实验中所设计的反相电路和反相加法运算电路，其中反相电路实现一路信号 的反相输出，其反相前后的波形如下图所示：

图２．１９反相电路波形图 反相加法运算电路实现ｏｕｔＣ．Ｉ和ｏｕｔＣ２相加后再反相放大输出，其结果经放大２００倍 后，输出结果如图所示：为减小低频噪声的影响，一般在解调前放大较大的倍数。

图２．２０反相加法运算电路输出波形

３３

中北大学学位论文 整个电路实现了两路信号ｏｕｔＣｌ和ｏｕｔＣ２的差分放大，实现了电容式加速度计的差 分输出。 （４）全波整流电路１５９】
＂

图２．２１全波整流电路 上图中ｏｕｔ２是前级差分放大得到的，ｏｕｔｌ是输出的方波信号，幅值为（一Ｕ．＋ｕ）， ｏｕｔｌ在二极管单向导通的作用下加到后面三极管栅极上的电压为（－Ｕ．Ｏ．７）．当电压一ｕ 作用在三极管的栅极上时，该三极管处于截止状态，当０．７ｖ的电压作用在三极管的栅 极上时，该三极管处于导通状态。 这样全波整流电路就等效于下面两种情况：
Ｒ２２

（ａ）三极管截止时的等效电路图

（ｂ）三极管导通时的等效电路图 图２．２２全波整流电路等效图

中北大学学位论文 取Ｒ２１＝Ｒ２２．则

枷《墨。ｏｕ咖ｔ２＜：
形如下图所示：

汜２４，

实现了波形整流。经后续的低通滤波及反相放大来实现解调出被测信号。其仿真波

图２．２３全波整流电路仿真图 其中，用运放Ａ１所具有的比较器功能来实现正弦波到方波的转换，等效于电路设

计中的ｏｕｔｌ端。从仿真结果可看出，其实现了全波整流功能。

２．４．３电路性能测试
电路测试可用与微机械加速度计表头检测电容相当的等效电路，由于敏感元件的总 电容很小，约为ｌｐＦ左右，因现有市场上的小电容最小为ＰＦ量级，所以，用两个ＰＦ量 级电容组成差分电容，并用４２８４Ａ高精度ＬＲＣ表进行了差分电容的标定，测出其最小 差分量级为１０。６ Ｆ，逐渐增大其差分值，最大为１ＰＦ。

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图２．２４线性拟合直线 表２．１测试数据
差分电容 值（ＰＦ） 输出电压 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

经测试可知其线性度为１．１３２５，非线性度小于０．５％。

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３隧道式加速度计检测技术研究
３．１隧道检测的理论基础——隧道效应

从量子力学理论可知，由于电子的隧道效应，导体中的电子并不完全局限于表面边 界之内，但电子密度并不在表面处突变为零，而是在表面以外呈指数形式衰减，衰减的 长度约１ ｎｍ。因此，只要将原子线度的极细探针及被研究物质的表面作为两个电极，当 样品与针尖的距离接近时（＜ｌｍｎ），它们的表面电子云就可能重叠，如图３．１所示。

若在样品与针尖之间加一微小电压‰，电子就会穿过两个电极之间的势垒，流向另一
个电极，‘形成隧道电流１６０ｌ。 这种隧道电流Ｉ的大小是电子波函数重叠程度的量度，与针尖和样品之间的距离ｘ 以及样品表面平均势垒的高度巾有关，电流Ｉ与ｘ之间满足如下关系：
一
”

Ｉ ｏｃｋｌＶ，ｅ一４、／妒 式中Ｉ——隧道电流，Ａ。 形——隧道结上的偏置电压，ｖ ５ ４——常数，口＝（４７【／ｈＸ２ｍｃ）“２＝１０．２５／ｎｍ（ｅｖ）”２，无量纲：

（３．１）

由——隧道结势垒高度，ｉｎ；
口

ｘ——两金属电极间的问距，Ａ。

图３．１隧道效应图

３７

中北大学学位论文

由此可见，隧道电流Ｊ对针尖与样品表面之问的距离Ｘ非常敏感。如果Ｘ减小
０．１ｎｍ，隧道电流Ｉ就会增加一个数量级，即ｌＯ倍。隧道电流式加速度计就是基于这样 的原理来检测由加速度引起的位移信号的。

３．２隧道式加速度计的噪声

隧道加速度计和其他隧道传感器的研究中都观测到明显的１／ｆ噪声１６１蚓，目前，对
隧道式加速度计ｌ／ｆ噪声的成因尚没有定论，美国东北大学Ｊｉａｎｃｈａｏ ｗａｎｇ等人对表面微 机械ＭＥＭＳ器件中的隧道噪声作了专门的研究，发现在真空下隧道噪声有明显降低１６射。 Ｓｔａｎｄ大学的Ｊｏｈｎｇｒａｄｅ等人通过改善传感器的结构，有效降低了隧道传感器中的噪声 咿Ｊ，说明结构中ｂｉｍｏｒｐｈ效应产生的热应力可能是隧道加速度计热噪声的主要原因。

Ｓｔａｎｄｏｒｄ大学最新的研究成果则大幅度降低了１／ｆ噪声，５Ｈｚ以上的分辨率小于
２０ｎｇ／ｘ／－Ｈｚ，因而认为隧道传感器中表现出的低频噪声是由于结构设计的缺陷造成的， 而不是隧道检测方式自身的固有特性旧Ｉ。 隧道加速度计的主要噪声源包括：隧道电流固有噪声、电阻热噪声、运放输入等效 噪声、机械热噪声等。以上这些噪声源中，隧道噪声和运放输入等效噪声与其他两类噪

声相比，一般可以忽略不计，适当设计Ｉ．ｖ变换电阻，也可以便电阻等效加速度噪声远
低于机械热噪声，因而机械热噪声是结构和工艺设计中需要主要考虑的噪声源。 采用真空封装可以在不增加表头工艺复杂度和不降低检测质量块质量的情况下降低 机械热噪声，但真空封装工艺不易实现批量制造，必然带来加工成本的升高，而且漏气 率以及真空度的保持等问题都将影响器件的可靠性。

３．３隧道式加速度计的微小电流检测电路设计

根据隧道式表头的检测原理，设计了如图３．２所示的检测电路。

中北大学学位论文

图３．２隧道式加速度计外围检测电路设计原理图

Ｉ—Ｖ转换电路将隧道电流转换成电压，然后通过低通滤波器来滤除高频干扰，再经 放大电路将电压放大，放大后的电压经电压反馈网络，反馈至隧道加速度计。偏置电压
电路为隧道加速度计提供５０ｍＹ左右的偏置电压，以保证隧尖与对电极之间不发生如场 发射等非检测隧道效应。整个电路设计的关键是Ｉ—Ｖ转换电路和电压反馈控制电路。

３．３．１

Ｉ－Ｖ转换电路

因隧道加速度计的参考地为隧道电流端的电压。隧道电流本身所具有的Ｉ／ｆ噪声和

其它噪声，使隧道电流输出端的电压值存在ｍＶ级的噪声电压，以此作为反馈端和偏置
端的参考地，势必影响整个隧道式加速度计的检测精度。故在本设计中，要尽量降低参 考地的噪声和外界干扰。可利用运算放大器的“虚短”原理来实现，故前级放大电路设 计成如下形式：
憎

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图３．４ Ｉ。Ｖ转换电路的仿真模型 通过反馈电阻Ｒ８将隧道电流转换为隧道电压。Ｃ９起缓冲输出的作用，Ｃ９的值应 较小，因其决定信号的灵敏度。若通过选择较大容值的Ｃ９会影响信号的响应时间，使 输出波形失真。同时，也对运放提出了较高的要求，要求偏置电流小，且最好对低频噪

声如１／ｆ有抑制作用的低噪声运放。
隧道加速度计的缺点之一是存在较高的１／ｆ噪声，在半导体器件中，ｌ／ｆ噪声主要是 由半导体材料表面性质所引起的。表面能态中载流子的激励和复合，以及表面状态密度 等是影响１／ｆ噪声的主要因素。一般的放大器在低频工作时会带来很大的低频噪声，经 了解，选用ＡＤ８５５ｘ系列放大器，因为ＡＤ８５５ｘ系列放大器有自动偏置调整的功能，半 导体管带来的低频噪声会像对待固有偏置一样加以抑制。这使得ＡＤ８５５ｘ系列放大器可 以用于低频甚至直流信号而不会带来大的低频噪声。

３．３．２主放大电路

ｉ 图３．５主放大电路图 电阻Ｒ８与ＸＩＡ的１管脚相联接，通过Ｘ１Ｂ，实现同相放大；ＣＫＤＹ端为参考电 压端，反相放大；电阻Ｒ１２和电容Ｃ１３，组成一级无源低通滤波器，来大致设定隧道式

中北大学学位论文 加速度计的频响范围。因放大倍数较蓓靠需要两极放大。通过两极放大后，将ｍＶ级的 电压，放大为伏量级，便于进一步的信号处理。具体的放大倍数有反馈电压的大小来决 定。

３．３．３反馈电路

７

图３．６反馈电压电路图 反馈电路的作用是将Ｉ－Ｖ转换并放大后的电压信号反馈回去，作为隧道加速度计的 驱动电压。

在刚上电时，高压Ｖ２０以静电力的形式作用于质量块与对极板之间，将极板拉近到
能产生隧道电流的间距。也就是说，隧道式加速度计在开电瞬间完成了从开环到闭环工 作模式的转变。为保护表头，需要上电时能缓慢地拉进隧尖与对电极之间的距离。故采 用Ｒ１９和Ｃ２０串联的阻容网络，来缓冲反馈端的电压变化，图３．７和图３．８为添加阻容 网络前后驱动电压的对比。

图３．７原电路上电时的电压波形

图３．８添加阻容刚络后的波形

４ｌ

中北大学学位论文 隧道电流遗过廷放、电阻转化为对厦的负相电ｊ盘值，电ｊ盘经过内微Ｉ司相主放大后， 经过电阻Ｒ１７反馈回驱动电压端，使隧尖在很小的范围内动态变化。首先计算反馈电压 信号与放大电压信号之间的关系，根据叠加原理：

＿＝矗面‘‰氏＋‰）
此时，

（３．２）

在上电时，调节可调Ｆｇ阻Ｒ，，，使■达到阈值电压，整个电路的放大倍数为一Ａ，

‰。瓦毒％耻４‰忍】
转换为隧道电压为‰，

（３．３）

当有单位加速度输入时，载荷的惯性力为ｍｘｌｇ，设此时隧道电流为‘。，经大电阻

此时反馈电压的值为：＿：＝ｉ０面‘‰焉。一４（％。ｒ一‰）墨，】
隧道加速度计的反馈电压所产生的静电力为：

（３．４）

肚１（¨昌ｅｏｘＡ２ （‰＋‰）２ 。了矿２
‰口‰，故在有隧道电流产生时，反馈电压所产生的静电力为

（３．５）

在产生隧道电流时，隧尖与对电极之间的间距为ｎｎｌ量级，远小于隧尖高度，ｌｌｐ

，毛詈啊
在反馈度为ｌｇ时，即Ｆ＝ｍｇ

＠ｓ，

圭詈｛志呲ｓ叫‰吨川２＝愕
把已知参数带入，其中‰ｒ＝３５ｍＶ，
ｍ＝１．７６７ｘ１０‘７堙，
Ａ＝９８０，ｕｒｎｘ９８０ｋｔｍ，ＥＥｏ＝８．８４ｘ１０。２，闭值电压为９．３Ｖ，足‘＝５．１ｘ１０３Ｑ，

（３’７）

‰＝３／ｚｍ，

中北大学学位论文

掣单：７．３８４ 墨６＋墨７
与闽值电压时的方程联立得：

（３．８）

孕２婴一＿３５ｘ１０－３：１．２６
４‰×焉， ‰

（３．９）
。。

其中，置，在阈值电压确定后就为定值，其值与放大倍数的关系为：

焉，：＝警凳（３．１０） 蚂，２万五Ｘ反萨
’

带入得：｛王等一生翌萼兰芝：１．２６（３．１１） Ａ Ｘ‰ ‰
隧道电压的范围为：１０ｍＶ－５０ｍＶ，则放大倍数４与‰的关系如图３．９所示，在实
际廊用申．前女倍斯廊小千空际干芹直信．

图３．９放大倍数４与‰的关系图
３．３．４稳压模块

为了能用同一电池供电，需要对电源进行升压和降压处理。要求稳压模块的噪声要

小，尤其是低频噪声一定要小，选用开关型稳压源时，其高频噪声对电路的影响不大， 可不加后续的直流稳压模块。升压到２０Ｖ的芯片采用凌特的ＬＴｌ６１５ＥＳ５。

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图３．１０高压模块产生电路图 因隧道式加速度计所需要的偏置电压和参考电压都只有几十ｍＶ，故直流降压后的 电压越小越好，故选用能降压到ｔ．２Ｖ的芯片，ＬＴ３０２０ＥＭＳ８．１．２，其电路图为：

图３．１１降压模块电路图

３．４．微小电流的性能测试

与隧道式加速度计表头联立，来测试所设计的检测电路。隧道式加速度计为北京大 学微电子所研制，为应用的需要，所装配的三轴加速度如图３．１２所示：

图３．１２三轴隧道式加速度计

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因为隧道式加速度计的测量范围为±ｌｇ，用分度盘来测试，共有１２个测试点，即
每隔３０度计量一次数据，测试数据图形如图３．１３所示。

图３．１３十二点测试数据拟和曲线 其三轴隧道式加速度计用分度盘标定数据如表３．１所示： 表３．１三轴加速度计测试数据

横向灵敏度比 分辨率／ｖ＊ｇ“ Ｘ轴 Ｙ轴 Ｚ轴 拟和误差／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硅微电容式、隧道式加速度传感器的测试
４．１硅微电容式加速度传感器的测试

将所设计的微小电容检测电路作为梳齿电容式加速度计表头的外围检测电路，并进 行各种测试，来检测电路及表头的性能。

４．１．１传感器的静态线性度测试

加速度传感器的静态特征表示为传感器在被测输入量的各个值处于稳定状态时的 输入一输出关系。 可以通过如下方法检测加速度计的线性：将加速度计水平固定在三轴转台上，调节

偏置电压使输出为零。然后将其旋转一定角度，使Ｘ轴与水平面成ａ角，则此时加速度
为ｇｘ ｓｉｎａ（图４．１）。分别取ａ为±１５。、＋３０。、±４５。、＋６０。、＋７５。、±９０。，

用高精度万用表读取输出值，标于坐标图上得到图４．２。可以看到，加速度计的线性度为
ｌ，１２３２ｖｏｇ～。

图４．１倾斜角度ａ与加速度的关系

中北大学学位论文 表４．１传感器三轴转台测试数据
角度／。 加速度 值／ｇｎ 输出电 乐值／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 ．兰

一

…

…

／

≥／ｊ
ｌ ０．５ １ １．

－Ｉ

．ｊ—ｔ妒菇

／一１

加速魔

图４．２线性拟和直线图

４。Ｉ．２传感器的静态噪声测试

在不施加任何扫描信号，梳齿式微硅加速度计处于零位置时的系统输出反映了硅微 加速度计系统在电路噪声作为输入时的频率响应，用ＨＰ３５６７０Ａ动态分析仪测量硅微加 速度计系统的噪声等级。

图４．３所示是测量到的加速度计输出噪声谱密度曲线，在此测量中的幅度值——包

含在标记读出中的数值——已被归一化到１Ｈｚ带宽。其中ｌＯＯＨｚ处的峰值属于工频电
源电压的干扰，读数时要去除ｌ／厂噪声和工频电压电源的干扰，读取其基低噪声指标，

基低噪声谱密度为ｏ．０５册∥√瓦，按照下面公式计算输出噪声：

‰专
式中Ⅳ。——被测传感器输出噪声，—訾；
、『Ｈｚ

㈤。，

中北大学学位论文

是——传感器的灵敏度，ｍＶ／ｇ。 经传感器的线性度测试其灵敏度为１ｔ２３．２ｍｖ／ｇ～，则被测电容式传感器的输出噪声

谱密度为４４．５ｕｇ／，／－ｆｆ三。
啪 嘶 叫
≈ｊ毫重

Ⅲ ㈨ Ⅲ ㈨
５ａｏ

１喁

１５００

２咖：５∞３０∞

ｆ№

图４．３硅微加速度计静态噪声

４．１．３传感器的动态测试

传感器的动态测试采用的是德国ＴＩＲＡ公司数字式电动振动试验系统ＢＡＡｌ０００，它 包括振动台、功率放大器和ＰＣ机控制等设备，此传感器动态测试时设备的连接示意图
如图４．４所示：

４８

中北大学学位论文

图４．４振动测试系统 本振动试验系统是包括标准传感器的闭环试验系统，标准传感器输出的值也经功率 放大器形成反馈，由计算机软件经分析后以达到精确控制。电容式加速度计和标准传感 器都固定在振动台的台面中央，电容式加速度计输出的电压经高精度表读出数据。 在此传感器的动态测试中，用振动台加载同一频率的不同加速度值，其测试数据如 表２．３所示，其拟和直线如图４．５所示。 表４．２振动台标定数据

所Ｎｇ值／ｇ 输出电压值
／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

中北大学学位论文

图４．５拟合直线图

经测试可知电容式加速度传感器的线性度，即传感器的灵敏度为１．１２２ｖ／ｇ～，与静 态标定值基本吻合。

４．１．４传感器的频晌测试

即动念校准传感器的频响范围。采用ＴＩＲＡ公司数字式电动振动试验系统来完成传 感器的频响测试。将被测传感器与标准传感器牢固地安装在校准台上，将被测传感器输 出的值连接到振动台的控制器，敏感轴垂直于安装台面。振动台以ｌｇ的恒定加速度从振

动台的下限频率扫频到振动台的上限频率，由系统软件完成ｌ等ｆ，并绘制的幅频特性曲
线如下：找出幅度变化至ｌＪ３ｄＢ的两个频率点，这两个频率点之间的频率范围，即为传感
器的频率响应范围。

５０

中北大学学位论文 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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ｌ‘ ｆ【‘

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１０

１００

１０００

４∞０

Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（Ｈｚ） 图４．６传感器的频响测试图

根据此测试曲线，可知传感器的频响范围为０－－４０００Ｈｚ，一般使用其动态性能较好
的频率段，２０Ｈｚ一１ １０Ｈｚ。

４．１．５传感器的动态噪声测试

当加速度计对某一频率的加速度输入敏感时，其输出电压在频率内理论上应该只有
一个输出分量，在其他范围内输出均为０，而实际上由于噪声的存在，加速度计的输出 在其他频域点不为０，这个分量就表征了加速度计的动态噪声等级。 试验中，为了测量加速度计的动态噪声等级，让振动台以某工作频率作正弦振动， 测得加速度计输出信号的功率谱密度。

下图为传感器在１６０Ｈｚ下的动态噪声功率谱密度为Ｏ．０５ｍＶ／√Ｈｚ。

中北大学学位论文

㈨
御

∞

ｇｚＩ七，、Ｅ

，

＂

洲
Ｏ

５００

１０００

１５００

２０００

２５００

３０００

ｆｎ＇ｌＺ

图４．７传感器在１６０Ｈｚ振动下的动态噪声功率谱密度

４．２硅微隧道式加速度计的仿真与测试

４．２．１隧道式加速度计的系统仿真

所设计的隧道式加速度计与检测电路如图３．２所示，由于隧道式加速度计的成品率 较低，且闭坏系统控制的难度较大，在设计电路原理框图的基础上，先进行系统仿真， 来指导电路设计。 在系统分析中，采用时域分析和频域分析相结合的方法。一个动态系统的特性常用 典型输入下的时间响应来描述。所谓响应是指零初值条件下某种典型输入函数作用下控 制对象的响应，控制系统中常用的输入函数为单位阶跃函数和脉冲激励函数。频域分析 法是利用系统的频率特性来分析系统的方法。频率特性函数是系统在静态时的正弦输出 信号（复数信号）与正弦输入信号（复数信号）之比，它可以用图形的形式表示，因此 可以方便地得到系统的稳定性及动态特性等～些信息。频域分析法通常包括：对数频域 特性法（波特图法）、极坐标法（奈奎斯特图）和频率响应法【６５ｌ。

４．２．２常压下的系统仿真

中北大学学位论文 常压下的系统仿真模型。如图４．８所示：

图４．８常压下的ｓｉｍｕｌｉｎｋ系统仿真模型 前向环节的传递函数（带滤波）：
４．４９２×１０１。 １ ０．２×１０－３Ｓ＋１

Ｇ（Ｓ）＝

（４．２）

可通过时域特性分析，来确定大致的反馈深度。在分析时，选取了三个反馈系数， 即确定了两个反馈系数范围。 在反馈系数为９．４ｘｌＯ＿６时，即有ｌＧ的加速度输入，相当于５．４２８（３的加速度负反馈 电路的闭环阶跃响应如下图所示：

图４．９在反馈系数为９．４ｘ１０－６时，电路的闭环阶跃响应

中北大学学位论文 出于反馈系数设置过大，因此出现超调的情况，引起系统的震荡，需要调整反馈系 数后的阶跃响应。 设置反馈系数为３．４６３ｘ１０－７，即在１Ｇ的加速度输入下的反馈力相当于０．２Ｇ的加速 度输入，阶跃响应如下图：其稳态值为４．３６１１７。 反馈系散为３４刚０７

图４．１０在反馈系数为３．４６３ｘ１０。时电路的闭环阶跃响应 当反馈系数为１．７３２ｘ１０．６时，即在ｌＧ的加速度输入下的反馈力相当于ｌＧ的加速度 输入阶跃响应和稳态值。其稳态值为０．９７７６。
反馈幕欺为１
７３２＂１０＂６

图４．１ｌ反馈系数为１．７３２ｘ１０。时的阶跃响应

中北大学学位论文 从以上三种情况的比较可知，可选用反馈深度小于１９，这样其系统较稳定，且系统 的灵敏度较高。

４．２．３真空封装时的系统仿真

Ｇｃ班器Ｓ １０×赢０２
、’

当真空封装时，系统中不存在空气阻尼。去掉空气阻尼以后系统的传递函数为： （４．３）

２＋． １

０３ ×

’

．×

１０－３Ｓ

＋１

整个系统的传递函数为：

Ｇ（ｓ）＝砭磊予可磊丐４．４瓦９２丽ｘ１可０ｌ。而再而丽；
阶跃响应曲线如下图所示：

（４．４）

图４．１２真空下电路的单位阶跃响应图 去阻尼后的闭环阶跃响应，出现等幅振荡现象，故要采取措施，增加电阻尼。

４．２．４

ＰＩＤ设计仿真

（１）ＰＩＤ简介 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称

中北大学学位论文 ＰＩＤ控制，又称ＰＩＤ调节。ＰＩＤ控制器问世至今已有近７０年历史，它以其结构简单、 稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当我们不完全了解一 个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用ｌ ｉＤ控制 技术。ＰＩＤ控制，实际中也有ＰＩ和ＰＤ控制。ＰＩＤ控制器就是根据系统的误差，利用比

例、积分、微分计算出控制量进行控制的【６６石７】。
１．比例（Ｐ）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Ｓｔｅａｄｙ．ｓｔａｔｅ ｅｒｒｏｒ）。 ２．积分（Ｉ）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制
系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差 系统（Ｓｙｓｔｅｍ、Ⅳｉｍ Ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ Ｅｒｒｏｒ）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分 项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便

误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进
一步减小，直到等于零。因此，比例＋积分（ＰＩ）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态 误差。 ３．微分（Ｄ）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关

系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存
在有较大惯性组件（环节）或有滞后（ｄｅｌａｙ）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落 后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变“超前”，即在误差接近零时， 抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的， 比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化 的趋势，这样，具有比例＋微分的控制器。就能够提前使抑制误差的控制作用等于零， 甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比 例＋微分（ＰＤ）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 （２）用ＰＩＤ改进系统性能的仿真 在反馈回路增加ＰＤ控制后系统如下图所示：

中北大学学位论文

ｊ厂————————————————————Ｆ＝ｚ习！ｌ ””“。一 —ｓ一一ｍ ｌ ｌ

Ｌ—寻一醚习
ｌ

～…一正卜｛ｑ—

去掉阻尼后，从ｍａｉｎ

ｓｐｒｉｎｇ

ｓｙｓｔｅｍ中的得到的反映隧道间距的电流信号，通过１０Ｍ

日（ｓ）：—坚羔娑：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，可以认为在反馈环节加上ＰＤ控制相当于给系统加上了电阻尼。 反馈环节静向传递函数为：

郇，＝再杀罴‰×赢 Ｇｌ∽＝斋‰
Ｈ（ｓ）＝９．４ｘ１０４（６．３２ｘ１０“ｓ＋０．０１）

中北大学学位论文

∽ｔ∞

（４．…

反馈环节反馈传递函数为：
（４．１２）

计算反馈部分的闭环传递函数为：

郦）＝丽靠罢篇丽
系统有更好的频率响应和闭环抗过载能力。 ４．２．５隧道加速度计的开环测试

（４’１３）

可以看出ＰＤ控制的反馈部分在完成从位移到电压输出的转换（４．５８４ｘ１０７）的同 时，成功的加上了电阻尼（Ｏ．２７２３），相当于增加了弹簧系统的钢度系数（６１３．９），使得

先对北京大学加工的一批加速度计表头进行开环Ｉ．Ｖ特性测试，以确定表头的好坏，
能否产生隧道电流，也可反映表头的性能。能产生隧道电流的表头的Ｉ．Ｖ特性曲线如图 ４．１５所示： 测试设备：ＨＰ４１５６Ｂ 参数设置如下： 扫描电压：Ｖｌ＝９．２，－－９．５Ｖ： 扫描步长：ＩｍＶ／ｓｔｅｐ； 隧道偏压：５０ｍＶ； 饱和电流：ｌｕＡ：

５８

中北大学学位论文

图４．１４开环Ｉ．Ｖ特性曲线

由测试曲线可知当驱动电压达在９．３叽９．４０ｖ之间，流经隧道针尖对电极的电流有显
著的增加趋势，可以认为出现隧道电流。

由电极的驱动关系：Ｆ：委竺譬ｖ：
Ｚ ｘｆｂ

（４．１４）

导出廿：—８６０ＴＡ矿．ＡＶ
ｘ呻

“．１５）

世＝ｋｈ

（４．１６） （４．１７）

七缸：．８ｃｏＡ矿．ＡＶ
Ｘｔｔｐ

ＡＶ加吃１
缸
把设计参数
Ｋ Ａ Ｘｔｉｐ １８３Ｎ／ｍ ６ＥｏＡ Ｖ

（４．１８）

９８０ｕｍ＊９８０ｕｍ ３ｕｍ

带入（３。１３）式得到：

中北大学学位论文

坐：—１．９３７—８０１０ｓ
驱动关系：

（４．１９）

把隧道电流的阈值电压９．３２１Ｖ带入式（４．１９），可以得到在驱动电压为９．３２１Ｖ时的

些：０．２０７９１１０。 ０２．４（ ｈ）
ｘ

当扫描电压步长为ｌｍＶ时，每加一步电压隧道间距的变化为Ｏ．４８１０Ａ。 在完全按照设计和加工参数的情况下，计算得到的阈值电压为２０．５６Ｖ，与实测的平 均９．３２１Ｖ有较大差异，主要原因是在加工和封装过程中，未知原因导致隧道间距的变 化，使得阈值降低，在隧道间隙在１０Ａ左右时，进入检测状态，这时隧尖走过一个初始

间距）（０，根据静电力的计算关系Ｆ：昙！雩ｙ：司凶，变化前后的初始间距和驱动电压的

比值关系为善：㈦２，可以算出在驱动电压降触ｓｚ·时，初始间距变有加工得到
的平均ｉ．１ｕｍ降为０．２２６ｕｍ。

由于产生隧道电流的距离较近，且变化范围较小，故对外围检测及反馈控制电路的
要求也非常严格，这也是隧道加速度计的检测难点之处。

４，２．６隧道加速度传感器的噪声测试

对所组装的三轴隧道式加速度传感器进行噪声测试，采用ＨＰ３５６７０Ａ频谱分析仪对 输出信号进行噪声的频谱测试，电压噪声功率谱密度如下图所示，其噪声谱密度为

０．ＳｍＶ／，］－面ｚ，电压灵敏度为５Ｖ／ｇ，可见，隧道式加速度计在Ｏ－４００Ｈｚ内的噪声谱为值
除以相应的驱动电压灵敏度，即可得到加速度噪声谱密度为ｏ．１Ｉｎｇ，√西三（除去工频干
扰）。

中北大学学位论文

＇ｅ

＇４

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Ｏ ８

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１；｛卜０４

臀
０ ２ Ｏ，Ｏ －０２ Ｏ

＇∞

２∞

３００

叼Ｏ

频率／Ｈｚ
图４．１５隧道式加速度计输出的功率谱密度

６ｌ

中北大学学位论文

５厚膜混合集成电容式加速度传感器的制作
５．１电容式加速度传感器厚膜混合集成的设计

５．１．１元器件选择

ａ．运算放大器 因是有源器件，是采用半导体工艺制作的，一般采用裸芯片贴装在基板上，用键合 机和其它线路相连接。 ｂ．无源元件 在电容式加速度传感器的制作中，所使用的无源元件包括电容和电阻。这些元件可 以成批制造在混合电路基片上，也可以另行购买片状形式的元件，然后装配到混合电路 基片上。因用丝网印刷和烧成在混合基片上的电阻和电容要占用相当大的基片面积，且 温度系数较高，故在此使用片式电容和片式电阻。

５．１．２材料选择

厚膜混合集成电路是依赖于材料的一种电子元器件封装方法，它是介于组装常规电 子元器件的ＰＣＢ板和单片集成电路之间的一种电路封装手段【椰ｌ。其所需的基本材料是基 片和各种浆科。 （１）基片

在厚膜混合集成电路中，基片起着承载厚膜元件、互连和包封等作用，在大功率电
路中，基片还有散热的作用。厚膜电路对基片的要求包括：平整度、光洁度高；有良好 的电气性能；高的导热系数；有与其它材料相匹配的热膨胀系数；有良好的机械性能。 通常厚膜电路选择９６％的氧化铝陶瓷基片。 （２）浆料 在厚膜混合集成电路中，无源网络主要是在基片上将各种浆料通过印刷成图形并经 高温烧结而成。使用的材料包括：导体浆料、介质浆料和电阻浆料等。 １．导体浆料

中北大学学位论文 厚膜导体是厚膜混合集成电路中的一个重要组成部分，在电路中起有源器件的互连 线、多层布线、外贴元器件的引线焊区、电阻器端头材料、低阻值电阻器等作用。 导体浆料中的功能材料是高电导率的金属。多数这类金属是贵金属，如金、铂、钯、 银和这些金属的结合。 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）

导体。纯Ａｇ导体导电性最好，成本也最低，但在高温、高湿和强电场作用下会发生银 离子迁移（也叫飞银）现象１４２１。
Ａｇ—Ｐｄ导体与常用的电阻材料的相容性较好，Ａｇ－Ｐｔ导体抗焊料侵蚀能力优良，其 它性能与Ａｇ—Ｐｄ类似，但银离子迁移仍存在。Ａｇ—Ｐｄ－Ｐｔ导体是在Ａｇ－Ｐｄ导体中加入Ｐｔ 制成的，能比较有效地防止银离子迁移。 纯的会导体没有离子迁移问题，导电性能非常好，但价格昂贵。主要用于高可靠、

多层布线电路（可印出细线），还可用于半导体Ｉｃ中键合焊接区。
在键合时，需要特殊的合金，如铂一钯一银导体能和ｌｍｉｌ的金丝键合，高钯含量的 钯银导体能和ｌＯｍｉｌ的铝丝键合。 ２．电阻浆料 厚膜电阻浆料也是厚膜混合集成电路中的一个重要组成部分，用厚膜电阻浆料制成 的厚膜电阻是应用最广泛和最重要的元件之一。一般选用美国杜邦公司的电阻浆料。 ３．介质浆料 厚膜介质浆料是为了实现布线导体的多层化以及厚膜电阻的性能参数不受外部环境 影响而应用的。包括多层介质浆料和包封介质浆料。 厚膜介质比较重要的工程参数有：电性能（绝缘电阻、介电常数、损耗印数、击穿 电压）、膜的完整性（没有针孔和气孔）和通孔分辨率。

５．１．３电容式加速度传感器的厚膜混合集成版图

对所设计的梳齿电容式加速度计的检测电路，已在ＰＣＢ板上验证其线性度和可靠性 如第三、四章所述，并与表头一起进行厚膜混合集成，来减小体积、提高其测试精度。 版图设计是根据电路的要求在保证性能的基础上进行设计的。基片采用２３ｎⅦｎＸ １７ｍｍ的

中北大学学位论文 陶瓷基片，它的主要成分是４ｆ２ｑ。下层导体浆料用钯银浆料，焊点用钯银浆料，它的可 焊性好。上层键合导体用铂钯银浆料，能用于金丝键合。厚膜电阻采用由金属氧化物半 导体材料制成的玻璃釉电阻器，它是由ＴｉＮ、力和玻璃釉组成，阻值范围较宽，性能比较 稳定。 其厚膜集成的总体版图如图５．１所示，共有三层。

图５．１总体设计版图 第一层为导体层，采用正光刻胶制作，印刷下层导线，

图５．２导体层

第二层为介质层，用负光刻胶制作，用于印刷起隔离作用的介质，其上的漏印部分， 连接上下层导体，起过孔的作用。

图５．３介质层版图

中北大学学位论文 第三层为导体层，即焊接层，大片的面积用于贴装有源器件，起散热的作用。

图５．４焊接层版图

５．２厚膜混合集成电容式加速度传感器工艺

厚膜电路元器件制造技术简要流程如图５．５所示：

圜
ｌ

圊酐÷囫
图５．５厚膜器件铝《作流程图
印＿１６口和烧结是厚膜技术中最基本的，也是保证厚膜重现性的最重要成膜技术。

ｔ

５．２．１丝网印刷工序

丝网印刷的基本概念是将粘性的浆料在漏印丝网上用力推动使其通过丝网将图形淀 积到基片上。为了产生丝网漏印版，必须在丝网上产生一种负的掩模。使导体、电阻或 介质浆料能被刮板的力漏印到基片上，这样才能在基片上产生正的图形。 厚膜电路是用丝网印刷工艺产生的，丝网印刷是非常关键的工艺之一，其对电路的 影响非常大，丝印缺陷给电路带来的影响如下：

中北大学学位论文 表５．１丝印缺陷对厚膜电路的影响【删

厚膜种类

印刷缺陷 中空 分辨力低

给成品带来的影响。 导线产生缺陷。 电路产生短路。 膜薄导电性差，耐焊性高。

导体 膜厚不适当 膜厚过度则影响电阻和介电体的并存性问题。 墨膜过薄，电阻值比预定值要高。 电阻器 膜厚不适当 膜厚多度则需要多等价交换激光，调整且调整后的稳定 性也不好。 中空和针孔 介电体 封闭辅助孔 膜厚不适当 焊料。 浆料印量不足 电路产生凹陷。 不能导通。 膜厚过薄，电绝缘性变差，甚至短路。 湿润不完全，粘接不好。

本电路的丝网印刷过程为先印刷第一层导体，然后印刷介质层，最后印刷上层导体， 通孔导体可以用单独的丝网和独立的工艺步骤印刷充入，这能使上表面平整。介质层常 会产生针孔，故习惯上介质层要印两次，能避免产生针孔，防止介质层击穿导致导体短 路。

５．２．２烧结工序

丝网印刷后，要先在空气中流平５－１０ｍｉｎ，然后通过１００－１５０。Ｃ的带式炉，让其完 全干燥，时间约ｌＯ一２０ｍｉｎ，在此期间，有机溶剂挥发掉。干燥以后，基片被送入有几个

温区的高温带式炉进行烧结。
一般来说，峰值温度将比浆料中的金属成分的熔化温度低约１０００Ｃ，如银的熔点为

９５００Ｃ，银浆料的最高烧成温度约８５００Ｃ。

中北大学学位论文

图５．６烧结炉烧结曲线 本试验中的烧结曲线如图５．６所示：主要分为三个阶段或温区。 在炉子的第一部分（２００—５００。Ｃ），暂时性的有机结合剂在空气中氧化分解而被去 掉。未能完全去掉的结合剂会形成氮化淀积，陷在浆料中，会改变最后产品的电性能和 物理性能。 在中间的温区（５００—７００。Ｃ），使永久性的结合剂（玻璃）熔化，湿润基片和功能

材料颗粒的表面。基片中的有些玻璃成分，也发生软化和熔化，引起它和浆料中的玻璃
料熔合。 在第三温区中（７００—８５０。Ｃ），功能颗粒被烧掉，且与玻璃料一起固定在基片上。

部件在峰值温度８５０。Ｃ下保温约ｌＯｍｉｎ。
最后温区从峰值温度迅速冷却到比室温稍高的温度。全部烧成时间约１ｈ。

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５．２．３再流焊接工序

在厚膜混合集成电路的组装中，有源和无源分立元器件可黏结到基板或功能材料层 上。其黏结方法有很多种，常见的有锡焊和共熔焊，其中锡焊是最常用的。在厚膜电路 上使用焊料时，要考虑导体的可焊性和抗焊能力１７０】。

可焊性，是焊料很快地均匀地湿润表面的能力。一般来说，所有贵金属导体和一部
分非贵金属（铜、镍）是可以焊接的。但当金属表面被有机残余物、无机盐类或氧化沾 污时，差的湿润性就会发生。厚膜浆料中含有大量的玻璃料，也是有碍焊接的。

抗焊能力，抗焊能力是阻止厚膜导体因为被吸收、被合金化或其他原因被热焊锡吃 掉的能力。焊料和厚膜导体的表层的受控的合金化对于形成坚固的电气和机械连接是重
要的。在金或银导体中加入铂或钯，可以改善它们的抗焊能力，但这是以降低电导率为 代价的。所以，在制造多层基片时，这些合金材料仅用于上层导体或锡焊焊盘。而内层 导体使用没有合金的金或银浆。 在使用裸芯片的混合电路中，通常避免使用铅／锡焊料连接和装配，因为有很大的

潜在危险，会使铅／锡焊料沾污线焊，助焊剂沾污器件和电路，以及发生焊锡飞溅。这 些污染陷入密封封装中，，会引起线焊降级、腐蚀、器｛牛电参数改变和电气短路。然而， 锡焊对于将封装好的元器件组装互连到陶瓷印刷电路板上是一种非常有用的方法，并得
到了广泛应用。流行的工艺顺序是先在厚膜导体焊盘上印刷焊锡浆料，再贴上元器件， 然后用再流焊焊接１７ｌＪ。
一

焊接技术的完整性主要取决于焊料在接触表面的再流。焊料在结合表面的这种再流 有焊料的润湿能力决定，它直接与适当温度范围内的具体温度下的保温时间和设定的具

体温度有关，再流焊焊接毡线如下：

中北大学学位论文

图５．７再流焊焊接曲线 再流焊的炉温曲线由具有不同定时的三个不同温度阶段构成。自然温热时间、预加 热或保温时间、峰值温度焊锡再流时间。预加热从１２０～１５０℃区间的时间长度建议在 ４５～１５０ｓ之间。焊锡再流时间段要求温度以１．０～４．０℃／ｓ的速度快速升高到峰值再流 时问。峰值温度通常设定为高于熔化温度２０～５０℃。

５．２．４键合工序

在芯片器件被贴到基片上以后，必须对它们电气互连，以便使它们具备电路的功能。 将芯片上的电路图案与基片上的电路图案互连是混合电路制造中的重要步骤之一。对于 裸芯片到基片上的互连，大量的仍是用线焊，它们有三种方法：热压、超声和热声焊。 金丝球焊是最常用的引线键合技术，现在有９０％的键合都采用金丝球焊。金丝球焊 接机如图５．８所示，键和后的双运放如图５．９所示。

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图５．８金丝球焊接机

图５．９键合后的双运放

金丝球焊接机工作时金属丝线穿过空心劈刀，由电子火焰切断（ＥＦＯ）金属丝在劈

刀外的部分，金属丝熔化并在表面张力的作用下在端头形成一个金属球，金丝球焊的第
二焊点以楔形焊完成。金丝球焊由于其圆球状的第一焊点，使得它的第二焊点能任意拉 伸向各个方向，灵活快速完成同一芯片上不同方向的互连【捌： 在厚膜混合集成电路中，器件的失效约有１／３是由芯片互连引起的，故芯片互连对 器件长期使用的可靠性影响很大。在传统引线键合中，常见的失效形式主要表现为键合 剥离、键合点跟部及颈部断裂、焊盘塌陷和尾丝不一致、引线弯曲疲劳等现象［７３１，分别 如图５．１０，５．１ｌ，５．１２所示。

图５．１０键合剥离

图５．１ｌ键合点跟部断裂

图５．１２焊盘塌陷

５．３电容式加速度传感器的封装及测试

因为混合电路是脆弱的并且对大气污染敏感，必须用某种形式的封装来保护它们。 封装对内部电路提供机械和环境保护。芯片是用ｌｍｉｌ或２ｍｉｌ直径很细的线互联，在操

中北大学学位论文 作中很容易损坏。此外，许多有源器件（虽然是钝化过的）、铝的线焊焊盘、铝线和薄

膜电阻对大气中的潮气、离子盐和其他的污染物的腐蚀很敏感。当然，封装也有其他功
能，如提供标准的形状和规定外部引线排列以方便装配和测试。 所选用的是直插式平底外壳封装，封装形式为ＵＰ２５２３—１６。其适用于厚、薄膜混合 集成电路封装，适合插入式组装；封盖方式采用高可靠平行缝焊工艺：壳体材料采用可 伐合金，可获得优良的气密性和热匹配性。其封装后的电容式加速度传感器的图片为：

图５．１３封装后的图形 经厚膜混合集成后的电容式加速度传感器，能大大减小电路的体积，下图为封装前 后的电路对比。

图５．１４封装前后的电容式加速度传感器的对照图

中北大学学位论文 ５．３。２测试

先完成电路的基本参数测试，确定电路及电容式加速度计表头正常工作后，主要进

行电容式加速度计的功能测试。把厚膜混合集成的电容式加速度计固定在振动台上，进
行其动态测试，其测试数据如下： 表５．２振动台标定数据

所加ｇ值／ｇ 输出电压 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

鳞３
２
ｌ

Ｏ Ｏ １ ２ ３ ４ ５ ６

抽运囊，，ｇ

图５．１５测试标定数据 从测试数据的稳定度可以看出，其测试精度比集成前提高了一个数量级。这对微弱 信号检测来说，是比较重要的。

中北大学学位论文

６结论与展望
６．１论文的主要研究内容及结论

本文主要对硅微电容式、隧道式加速度计的微弱信号检测、测试及其厚膜混合集成 进行了系统研究，完成了硅微梳齿电容式加速度计的差分检测电路设计，对电路进行了

性能测试，及系统调试和系统的动、静态测试：完成了隧道式加速度计的开环测试，并
在系统仿真的基础上完成了检测电路的设计，并进行了三轴隧道式加速度计的测试及标 定：为减小检测电路的体积、提高电容式加速度计的精度，对电容式加速度计及所设计

的检测电路进行了厚膜混合集成。论文所进行的主要研究工作及结论包括以下几个方
面： １．大量收集了国内外微机械加速度传感器的发展及现状的相关资料，并总结出了目前 主要的硅微机械加速度传感器的工作原理及技术指标以及目前发展的趋势； ２．针对目前国内研究的薄弱环节，结合微弱信号检测的知识，从电路设计和集成来提 高加速度计的检测精度。

３．对目前研究的热点——电容式和隧道式加速度计，进行了较为系统的研究，在所设
计的检测电路的基础上，进行了电路测试和系统标定。 ４．在梳齿电容式加速度计的差分检测上，采用电压反馈模式设计了检测电路，经测试， 可知其测试精度为１０＂”Ｆ，并与表头联调，测试传感器的灵敏度为１１２３．２ｍｖｇ～，被测

电容式传感器的输出噪声谱密度为４４．５ｕｇ／，／面。
５．通过系统仿真，得出了反馈量的范围，来指导隧道式加速度计闭环反馈电路的设计，
并对所设计的检测电路与表头进行了标定。 ６．在分析现有集成电路优缺点的基础上，选择了厚膜混合集成对电容式加速度计和后

续处理电路进行了集成，弗进行了功能测试，通过集成可提高一个数量级的检测精度。

中北大学学位论文 ６．２展望

电容式加速度计和隧道式加速度计的应用前景非常广阔，还需要继续规范加速度计 的设计、加工及集成，在现有硅微加速度计和处理电路的基础上，还需要继续在以下方 面努力来提高其检测精度。 ｌ，提高电容式加速度计的检测精度，并结合不同的量程设计检测电路的参数。 ２．解决隧道式加速度计在常温下的漂逸问题。 ３．对隧道式加速度计进行真空封装，并设计相应的ＰＩＰ控制电路来增加电阻尼。 ４．运用鲁棒控制理论来尽可能地降低系统的噪声，来提高隧道式加速度计的检测 精度。 ５．进一步提高厚膜混合集成电路的布版技巧，来降低厚膜混合集成的寄生效应和 热效应。

７４

中北大学学位论文

附录
附件一：电容式加速度计的检测电路

中北大学学位论文 附件二：隧道式加速度计的检测电路

中北大学学位论文

参考文献
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【８】Ｄ．Ｌ．ＤｅＶｏｅ ａｎｄ
Ａ．Ｐ．Ｐｉｓａｎｏ，”Ｓｕｒｆａｃｅ

Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ

Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ

Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓ

（ＰｉＸＬｓ）”，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，Ｖ０１．１０，Ｎｏ．２（２００１），ＰＰ．１８０－１８６
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【１０】徐佩地震动惯性传感器及其信号检测电路研究．太原：中北大学．２００５硕士学位
论文． 【ｌ １】Ｃ．一Ｈ．Ｌｉｕ ａｎｄ Ｔ．Ｗ．Ｋｅｎｎｙ，”Ａ Ｈｉ曲一Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，Ｗｉｄｅ—Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ
Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ａｅｅｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｐｐ．４２５—４５８

ｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｖ０１．１０，Ｎｏ．３（２００１）

ｆ１ ２］Ｈ．Ｋ．Ｒｏｃｋｓｔａｄ，Ｔ．Ｋ．Ｔａｎｇ，Ｊ．Ｋ．Ｒｅｙｎｏｌｄｓ，Ｔ．Ｗ．Ｋｅｎｎｙ，Ｗ．Ｊ．Ｋａｉｓｅｒ ａｎｄ
Ｇａｂｒｉｅｌｓｏｎ，”Ａ

Ｔ．Ｂ． ａｎｄ

Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ，Ｈｉｇｈ－Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ”，Ｓｅｎｓｏｒｓ

Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ ５３（１９９６）ｐｐ．２２７·２５８

【１ ３】Ｒ．Ｌ．Ｋｕｂｅｎａ，Ｇ．Ｍ．Ａｔｋｉｎｓｏｎ，Ｗ．Ｐ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ

ａｎｄ Ｆ．Ｐ．Ｓ扛ａＲｏｎ，”Ａ Ｎｅｗ Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ

Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｔｍｍｃｌｉｎｇ Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ”，ＩＥＥＥ

Ｅｌｅｃ加疗Ｄｅｖｉｃｅ

Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖ０１．１７，

Ｎｏ．６（１９９６），ｐｐ．３０６—３１４

中北大学学位论文 【１４】李立杰，梁春广．微机械热对流加速度计．半导体学报．２００１年４月２２卷４期：４６５
－－４６８

【１５】Ｃｈａｕ，Ｋ．Ｈ．－Ｌ．，Ｌｅｗｉｓ，Ｓ．Ｒ．，Ｚｈａｏ，Ｙ．，Ｈｏｗｅ，Ｒ．Ｔ．，Ｂａｒｔ，Ｓ．Ｆ．，ａｎｄ Ｍａｒｃｈｅｓｅｌｌｉ，Ｒ．Ｇ．，
‘＇Ａｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ

Ｆｏｒｃｅ－ｂａｌａｎｃｅｄ

Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ

Ａｅｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ

ｆｏｒ
ｏｎ

Ｌｏｗ－Ｇ

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，’’

Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ

Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’９５．ｔｈｅ

８ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ

Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ

Ｓｏｌｉｄ·Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ

Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｓｔｏｃｋｈｏｌｍ，Ｓｗｅｄｅｎ，Ｊｕｎｅ ２５－２９，１９９５，ｖ０１．Ｉ，ＰＰ．５９３－５９６． 【１６】ＡＤＸＬ５０
ｄａｔａｓｈｅｅｔ，ｈｔｔｐ．／／ｗｗｗ．ａｎａｌｏｇ．ｃｏｍ

【１７】钟福如。硅电容式加速度传感器及其读出电路设计研究．电子科技大学．硕士学位 论文．２００５年３月 【１８】陈字晓．电容式微机械静电伺服加速度计系统分析：【硕士学位论文】．成都：电子 科技大学，２００３ 【１９１
ＬＩＵ Ｃ Ｈ，ＫＥＮＮＹ Ｔ

Ｗ．Ａ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，谢ｄｃ－ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｍｉｃｒｏｍａｅｈｉｎｅｄ

ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ

ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００１，１０（３）：４２５－４３３． 【２０１ ＣＨＩＮＧＷＥＮ
Ｙ，ＫＩ－ＩＡＬ ＩＬ Ｎ．Ａ ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ ｂｕｌｋ－ｓｉｌｉｃｏｎ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ—ｂａｓｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ

ｍｉｅｒｏａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ［Ｍ］．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
１９９５：５９３．５９６．

Ｄｉｇｅｓｔ－Ｉｎｔｅｒｕａｔｉｏｎａｌ

Ｅｌｅｃｔｒｏｎ

Ｄｅｖｉｃｅｓ

Ｍｅｅｔｉｎｇ，

［２ １】ＨＡＲＴＷＥＬＬ Ｐ Ｇ

ＢＥＲＴＳＣＨ Ｆ

Ｍ，ＭＩＬＬ ＥＲ

Ｓ Ａ，ｃｔ ａ１．Ｓｉｎｇｌｅ ｍａｓｋ ｌａｔｅｒａｌ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ

ａｅｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ［Ｃ】．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆｔｈｅ

１９９８ ＩＥＥＥ １１ｔｈＡｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ

Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ

Ｍｉｃｒｏ Ｅ｜ｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｅａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９９８：３４０－３４４． 【２２】ＸＵＥ Ｗｅｉ，ＷＡＮ
ＧＪｉｎｇ，ＣＵＩ

Ｔｉａｎ－ｈｏｎｇ．Ｈｉ曲ｌｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏｍａｅｈｉｎｅｄ

ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ

ｓｅｎｓｏｒｓ．光学精密工程．２００４年１０月．第１２卷第５期：４９１－５０３ ［２３】ＫＵＢＥＮＡ
ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｒ Ｌ，ＡＴＫＩＮＳＯＮ Ｄ Ｍ，ＲＯＢＩＮＳＯＮ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ

Ｗ

Ｐ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｅｗ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ Ｅｌｅｃｌｒｏｎ

ｓｕｒｆａｃｅ
Ｌｅｔｔｅｒｓ，

ａｃｃｅｌｅｍｍｅｔｅｒ［Ｊ］．

ＩＥＥＥ

Ｄｅｖｉｃｅ

１９９６，１７（６）：３０６·３０８． 【２４】ＷＡＮＧＪ．Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｐｏｌｙｍｅｒ
Ｄ．Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ
ｓｅｎｓｏｒ

ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂｙ ｈｏｔ ｅｍｂｏｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ【Ｄ】．Ｐｈ．

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［２８］张旭．一种力平衡式隧道加速度计传感器的特性研究．电子器件．第２４卷第４期
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Ｈａｉｆｅｎｇ，Ｈａｏ Ｙｉｌｏｎｇ，Ｊｉａ Ｙｕｂｉｎ。Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆＴｕｎｎｅｌｉｎｇ

Ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆＡｎｏｄｉｃ Ｂｏｎｄｅｄ Ｄｒｙ—Ｅｔｃｈｅｄ Ｖ０１．２５，Ｎｏ．１２

ＭＥＭＳ

Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ

Ａｅｅｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ。半导体学报

［３３］贾玉斌，董海峰，郝一龙．体硅隧道加速度计．纳米技术与精密工程．２００４年３ 月．第２卷第１期 ［３４］唐鸿宾．微弱信号检测技术．南京大学电予科学与技术系微弱信号检测中心 ［３５］曾庆勇．微弱信号检测．杭州：浙江大学出版社，１９８６ ［３６］戴逸松著．微弱信号检测方法及仪器．北京：国防工业出版社，１９９４．１２ 【３７】刘广玉，樊尚春，周浩敏．微机械电子系统及其应用．北京：北京航空航天大学出 版社，２００３

【３８】董景新等编著．微惯性仪表——微机械加速度计．北京：清华大学出版社．２００３年４
月 ［３９］张曙光，纪建伟，罗兴吾．检测技术．北京：中国水利水电出版社，２００２

中北大学学位论文 ［４０］ｔａｐａｎ ｋ．ｇｕｐｔａ著，王瑞庭，朱征等译．厚薄膜混合微电子学手册．北京：电子工 业出版社，２００５ ［４１］Ｊａｍｅｓ Ｊ．Ｌｉｃａｒｉ，Ｌｅｏｎａｒｄ Ｒ．Ｅｎｌｏｗ著，朱瑞廉译，王瑞庭审校．混合微电子学技

术手册——材料、工艺、设计、试验和生产（第２版）．北京：电子工业出版杜，２００４
［４２］吕乃康樊百昌．厚膜混合集成电路．西安：西安交通大学，１９９０ ［４３】陈杰，黄鸿编著。传感器与检测技术。北京：高等教育出版社，２００２年 【４４】刘俊，徐佩，石云波．微弱电容信号的离散频率测试方法及其硬件电路的实现．兵 工学报，Ｖ０１．２６，Ｎｏ．４，２００５．７，ｐ５００—５０４ 【４５】Ｘｕｅｓｏｎｇ Ｊｉａｎｇ，Ｆｅｉｙｕｅ Ｗａｎｇ，Ｍｉｃｈａｅｌ
ＳＵＲＦＡＣＥ Ｋｒａｆｔ，Ｂｅｒｎｈａｒｄ Ｅ．Ｂｏｓｃｒ．ＡＮ ＩＮＴＥＧＲＡＩＥＤ ２Ｕ

ＭＩＣＲＯＭＡＣＨＩＮＥＤ ＣＡＰＡＣＩＴＩＶＥ ＬＡＴＥＲＡＡＣＣＥＬＥＲＯＭ［ＥＴＥＲ ＷＩＴＨ
Ｓｅｎｓｏｒ，Ａｃｔｕａｔｏｒ ａｎｄ

ＧＮＨｚ ＲＥＳＯＬＵＴＩＯＮ．Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ

Ｍｉｅｒｏｓｙｓｔｏｍｓ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ

Ｈｉｌｔｏｎ

Ｈｅａｄ Ｉｓｌａｎｄ，Ｓｏｕｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ，Ｊｕｎｅ ２－６，２００２

２０２－－２０５
［４６】Ｈ．Ｌｅｕｔｈｏｌｄ，ＥＲｕｄｏｌｆ，Ａｎ
Ｓｅｎｓｅｓ ＡＳＩＣ ｆｏｒ ｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｍｉｃｒｏ

ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓ，

ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ．Ａ２ｌ一２３（１９９∞２７８－２８１．
ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｔｏ

【４７】Ｒ．Ｐ．ｖａｎ Ｋａｍｐｅｎ，Ｍ．Ｊ．Ｖｅｌｌｅｋｏｏｐ，ＥＭ．￥ａｎｏ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄａｍｐｉｎｇ ｏｆ

ａｎ

ｉｎｔｅ—ｇｒａｔｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ａｃｅｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，Ｓｅｎｓｅｓ

ａｎｄ

Ａｃｔｕａｔｏｒｓ．

Ａ４３（１９９４１１００－１０６． ［４８】Ｏ．Ｋｒｏｍｅｒ，Ｏ．Ｆｒｏｍｈｅｉｎ，Ｈ．Ｇｅｍｍｅｋｅ．Ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ
ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ．Ｓｅｎｓｅｓ ｒｅａｄ
ｏｕｔ

ｃｉｒｃｕｉｔ

ｆｏｒ

ＬＩＧＡ

ａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ．Ａ４６－４７（１９９５）１９６—２００．
ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ

【４９】Ｋ．Ｈ．一Ｌ．Ｃｈａｕ，Ｓ．Ｒ．Ｌｅｗｉｓ，Ｙ．Ｚｈａｏ，Ｒ．Ｔ．Ｈｏｗｅ．Ａｎ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ 【５０】Ｐｕｅｒｓ
ｆｏｒ ｌｏｗ－ｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，Ｓｅｎｓｅｓ

ｆｏｒｃｅ·ｂａｌａｎｃｅｄ

ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ

ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ．Ａ５（１９９６）４７２·４７６． ａｎｄ
ｔｈｅｉｒ ｅｆｆｅｃｔｓ
ｏｎ

Ｒ，Ｌａｐａｄａｔｕ Ｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｆｏｒｃｅｓ

ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

ｓｅｎｓｏｒｓ．Ｓｅｎｓｅｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ．Ａ５６（１９９６）２０３·２１０．

【５ｌ】Ｌｉ
Ｓｅｎｓｅｓ

Ｂ

Ｑ，Ｌｕ Ｄ Ｒ．Ｏｐｅｎ－ｌｏｏｐ

ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｏｄｅ

ｏｆｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ

ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ．

ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ．Ａ７９（２０００）４２１９－２２３．
ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｆｏｒｃｅｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ
ｏｎ

【５２］Ｂａｏ Ｍ Ｈ，ＹａｎｇＨ，Ｙｉｎ Ｈ．Ｅｆｆｅｃｔｓ
ｃａｐａｃ“ｉｖｅ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ．Ｓｅｎｓｅｓ

ａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ．Ａ８４（２０００）２１３－２１９．

８０

中北大学学位论文 【５３１刘宗林．电容式微惯性器件设计理论与方法研究．工学博士学位论文．国防科学技 术大学．２００４年１０月 【５４】董林玺．微机械电容式传感器及其相关特性研究．浙江大学博士学位论文．２００４年 ５月 【５５】刘俊，张斌珍编著．微弱信号检测技术．北京：电子工业出版社，２００５年 【５６】赵桂钦．ｈ艳萍译．电子电路分析与设计ｐ田．ＤｏｎａｌｄＡ．Ｎｅａｍｅｎ著．电子工业出版 社．２００３年１月．１８９—１９２． 【５７】童诗白，华成英．模拟电子技术基础【Ｍ】（第三版）．高等教育出版社，２００３年１２ 月
。

【５８］支０鹏民，莫得举．Ｔ型反馈电阻网络在微弱信号放大电路中的应用．电测与仪表．１９９９
年１２期：３１．３３ 【５９】李锦明．高信噪比电容式微机械陀螺的研究：【学位论文】．太原：中北大学，２００５ 【６０】张文栋等译．［美］格雷戈Ｔ．Ａ．科瓦奇著，微传感器与微执行器全书，科学出版社， 北京，Ｐ１６０—１６１，２０００ 【６ｌ】Ｓ．Ｂ．Ｗａｌｔｍａｕ
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］韩利竹，王华编著．ＭＡＴＬＡＢ电子仿真与应用（第二版）．北京：国防工业出版社．
２００３年９月

［６６］邹伯敏主编．自动控制理论（第二版）．北京：机械工业出版社，２００２年３月
［６７］刘金琨主编．先进ＰＩＤ控制Ｉ雌ＴＬＡＢ仿真（第二版）．北京：电子工业出版社．２００４ 年９月

８１

中北大学学位论文

［６８］李凯瑞，恩洛［美］著，朱瑞廉译．混合微电路技术手册．北京：电子工业出版
社。２００４ ［６９］侯翠群．厚膜混合集成电路可靠性分析与提高：［学位论文］．南京：南京理工大学，
２００１

［７０］顾来．厚膜混合集成压力传感器：［学位论文］．沈阳：沈阳工业大学，２００５ ［７１］熊祥玉．丝网印刷与厚膜Ｉｃ技术．电子工业技术．２００１，２２（３）：．１１３～１１５ ［？２］中国电子学会生产技术学分会丛书编委会组编．微电子封装技术．合肥：中国科 学技术大学出版社。２００３ ［７３］马鑫，何小琦．集成电路内引线键合工艺材料失效机制及可靠性［Ｊ］．电子工艺技 术，２００１，２２（５）：１８５—１９０

中北大学学位论文

致

谢

本论文是在刘俊教授的悉心指导Ｆ完成的，他以严谨的学习态度和孜孜不倦的晦人 风格，给我留下了深刻的印象。在整个研究生学习期问，刘老师一直给予全力的帮助和

精心的指导，并且在生活上给予了无微不至的关怀。在此向他们表示衷心的感谢，并致
以崇高的做意。

本文的火量工作是在石云波老师的悉心指导下完成的，在研究生期间石云波老师对
我的学习和工作都给予了极大的帮助。在石老师的关怀和热情指导Ｆ，我的论文得以顺 利完成，在此Ｉ＿石老师表示忠心的感谢。

所参与的项目是与北京大学微电子所合作完成的，在此感谢北京大学的缪曼老师和

胡启方同学在工作上的协作与帮助，感谢中北大学的沈三民老师所作的前期工作，为我
之后的电路设计奠定了基础。在电路的设计中曾得到中北大学微米纳米研究中心的电路
高手老师李锦明老师、任永峰老师、马游春老师和张斌珍老帅的指导；在厚膜混合集成 电路的设计和制作中得到马喜宏老师和郭虎岗等同学的帮助，在此表示感谢。 衷心感谢中北大学微米纳米技术研究中心的各位老师在工作中对我的指导和帮助， 他们在这两年半的时间内给过我无数的帮助，他们谦虚谨慎的治学态度，精益求精的治 学精神，是我学习的榜样。 感谢４１３的研究生同学以及曾经一起在微米纳米研究中心朝夕相处的研究生同学 们，共同求知进取的成长岁月里建立起来的诚挚的友谊给我留下弥足珍贵的永久回忆。 尤其要感谢我的父母多年以来对我学习一贯的鼓励和坚定的支持。父母含辛茹苫， 勤俭操劳，将我养育成人，并努力为我创造良好的学习环境，他们无私的奉献和殷切的 期望是我不懈求知的坚强后盾和动力源泉。我无以为报，谨以此文略表感激之情，争取 住今后的工作中以更大的成绩回报。

最后，衷心感谢所有给予过我关心和帮助的老师、同学、朋友们。

中北大学学位论文

攻读硕士期间的主要研究工作及所取得的研究成果
主要参与的课题： １．山西省自然科学基金“微惯性器件微弱信号检测技术研究”（２００５１０４０）：． ２．参与“８６３”课题“高精度加速度计的研制”与北京大学合作； ３单轴、双轴、三轴振动、过载加速度汁的调试与焊接。 其他主要工作

１．参与了《微弱信号检测技术》一书第二章和第四章的编写。
论文 １．微小差分电容检测电路设计．王玲，刘俊，石云波。传感技术学报．２００６年第１９ 卷，第６期：

２．微机械隧道式加速度计的弱信号检测电路设计．王玲，刘俊，石云波。测试技术学
报．Ｖｏｌ（２０）．２００６。
文Ｊｕｎ Ｌｉｕ，ｌｉｎｇ Ｗａｎｇ，Ｙｔｍｂｏ Ｓｈｉ，Ｆａｉ

Ｍａ．Ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｗｅａｋ

ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ

ＭＥＭＳ

ｒｅｓｏｎａｎｔ

ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ（审稿中）

３．微机械电容式加速度计检测电路设计．石云波，王玲，刘俊，传感器与微系统．２１
（４）．２００６．８

４．地面运动目标的振动信号的特性分析。石云波，刘俊，王玲．传感技术学报．（已录
用）。

５．基于ＣＰＩ。Ｄ的单半正弦脉冲发生器的设计．石云波，刘俊，王玲．中Ｎｆ，ｔｌ试技术．（已 录用）。

硅微电容式、隧道式加速度计检测技术研究
作者： 学位授予单位： 王玲 中北大学

相似文献(3条) 1.学位论文 李万玉 硅微加速度计输出信号的检测及处理技术研究 1999
该文研究的意义在于,为国内外正在致力研究的硅微加速度计的弱信号检测技术探索设计理论和方法,研究设计过程中的技术难点,并为克服技术难题 提出了可能实现的解决方案与途径,研究内容具有普遍意义,不仅适用于硅微加速度计,而且适用于硅微陀螺仪、硅微压力传感器、硅微执行器等多种微机 传感器的微弱信号检测.

2.期刊论文 钟莹.张国雄.李醒飞 新型谐振式硅微机械加速度计 -纳米技术与精密工程2003,1(1)
制作出一种新型结构的谐振式硅微加速度计,其输出频率信号可以克服微机电系统器件输出微弱信号检测的困难.采用双端固定音叉作为谐振器,在加 速度作用下,质量块的惯性力通过悬臂梁施加于音叉轴向,利用音叉谐振频率的变化测量加速度.在每个音叉臂上制作了梳齿结构,用梳齿间的静电力激励音 叉产生谐振,并利用其构成的电容检测其振动频率.该加速度计采用体硅工艺制作,文中给出了工艺流程.用有限元方法仿真估算,得到传感器的灵敏度约为 2/g Hz.

3.期刊论文 李万玉.阮爱武.罗晋生.冯培德.LI Wan-yu.RUAN Ai-wu.LUO Jin-sheng.FENG Pei-de 硅微机械陀螺接 口检测技术的研究 -微电子学1999,29(5)
研究了微陀螺的电容变化率为10-7～10-8时的微弱输出信号的检测技术,这是微机械器件研制中具有普遍性的技术难点.在研究检测微小电容变化量的 积分电路的基础上,进一步采用了可抑制低频噪声和漂移的相关双采样技术,以及抑制由开关电荷注入引起的误差的技术.这些全新的技术思路和措施可望 达到检测10-7～10-8的电容变化率的目的.

本文链接： 下载时间：2010年1月18日



  本文关键词：硅微电容式、隧道式加速度计检测技术研究，由笔耕文化传播整理发布。