第十五章MEMS传感器讲述

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1、 第第1515章章 MEMS MEMS传感器传感器 15.1 15.1 概概 述述 15.2 MEMS 15.2 MEMS传感器分类传感器分类 15.3 MEMS 15.3 MEMS加速度计加速度计 15.3.1 15.3.1 压阻式压阻式MEMSMEMS加速度计加速度计 15.3.2 15.3.2 电容式电容式MEMSMEMS加速度计加速度计 15.3.3 15.3.3 静电力平衡式静电力平衡式MEMSMEMS加速度计加速度计 15.3.4 15.3.4 石英振梁式石英振梁式MEMSMEMS加速度计加速度计 15.3.5 15.3.5 隧道效应隧道效应MEMSMEMS加速度计加速度计 15.

2、4 MEMS 15.4 MEMS陀螺陀螺 15.4.1 15.4.1 石英音叉石英音叉MEMSMEMS振动陀螺仪振动陀螺仪 15.4.2 MEMS 15.4.2 MEMS硅双框架振动陀螺仪硅双框架振动陀螺仪 15.4.3 MEMS 15.4.3 MEMS硅梳状驱动振动陀螺仪硅梳状驱动振动陀螺仪 15.4.4 MEMS 15.4.4 MEMS静电陀螺仪静电陀螺仪 15.5 MEMS 15.5 MEMS传感器的信号调理传感器的信号调理 15.5.1 MEMS15.5.1 MEMS压阻式传感器的信号调理压阻式传感器的信号调理 15.5.2 MEMS15.5.2 MEMS电容式传感器的信号调理电容式传

3、感器的信号调理 15.5.3 MEMS 15.5.3 MEMS谐振式传感器的信号调理谐振式传感器的信号调理 15.1 15.1 概概 述述 MEMS这个词是这个词是Microelectromechanical System的缩写，的缩写，通常称为微型机电系统。微型机电系统通常称为微型机电系统。微型机电系统(MEMS)是指可以批量是指可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件理和控制电路、直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。或系统。 15.2 MEMS 15.2

4、 MEMS传感器分类传感器分类 通通过过MEMS加加工工技技术术制制备备的的新新一一代代传传感感器器件件，具具有有小小型型化化、集集成成化化的的特特点点。(1)可可以以极极大大地地提提高高传传感感器器性性能能。在在信信号号传传输输前前就就可可放放大大信信号号，从从而而减减少少干干扰扰和和传传输输噪噪音音，提提高高信信噪噪比比；在在芯芯片片上上集集成成反反馈馈线线路路和和补补偿偿线线路路，可可改改善善输输出出的的线线性性度度和和频频响响特特性性，降降低低误误差差，提提高高灵灵敏敏度度。(2)具具有有阵阵列列性性。可可以以在在一一块块芯芯片片上上集集成成敏敏感感元元件件、放放大大电电路路和和补补偿

5、偿线线路路。可可以以把把多多个个相相同同的的敏敏感感元元件件集集成成在在同同一一芯芯片片上上。(3)具具有有良良好好的的兼兼容容性性，便便于于与与微微电电子子器器件件集集成成与与封封装装。(4)利用成熟的硅微半导体工艺加工制造，可以批量生产，成本非常低廉。利用成熟的硅微半导体工艺加工制造，可以批量生产，成本非常低廉。 MEMS传传感感器器没没有有统统一一的的分分类类方方法法，按按照照目目前前的的MEMS传传感感器器产产品品和和研研究究情情况况，本本书书将将目目前前的的MEMS传传感感器器分分为为十十类类，包包括括微微机机械械加加速速度度传传感感器器、微微机机械械角角速速度度传传感感器器、微微型

6、型压压力力传传感感器器、微微型型磁磁传传感感器器、微微型型热热传传感感器器、微微型型气气敏敏传传感感器器、微微型型光光传传感感器器、微微型型电电场场传传感感器器、微微型型生生物物传传感感器器、微微型型化化学传感器等，本章将介绍常见的学传感器等，本章将介绍常见的MEMS加速度计与加速度计与MEMS陀螺。陀螺。 15.3 MEMS 15.3 MEMS加速度计加速度计 加速度计在许多不同的领域均有应用，例如：配有气囊的汽车、加速度计在许多不同的领域均有应用，例如：配有气囊的汽车、航海器、心房脉动探测器、机器监控等。由于航海器、心房脉动探测器、机器监控等。由于MEMS加速度计在许多加速度计在许多设计

7、中，能减小费用设计中，能减小费用/批量、改善性能，因此正飞速地开辟新的应用领批量、改善性能，因此正飞速地开辟新的应用领域。域。MacDonald和和Giachino都对都对MEMS加速度计在汽车领域的应用作加速度计在汽车领域的应用作了很好的综述。了很好的综述。 MEMSMEMS加速度计又称硅加速度计，它感测加速度的原理仍与一般的加加速度计又称硅加速度计，它感测加速度的原理仍与一般的加速度计相同。根据读取元件的不同，微机械加速度计又有压阻式、电容速度计相同。根据读取元件的不同，微机械加速度计又有压阻式、电容式、静电平衡式和石英振梁式之分。式、静电平衡式和石英振梁式之分。 15.3.1 15

8、.3.1 压阻式压阻式MEMSMEMS加速度计加速度计 硅硅制制检检测测质质量量由由单单挠挠性性臂臂或或双双挠挠性性臂臂支支承承，在在挠挠性性臂臂处处采采用用离离子子注注入入法法形形成成压压敏敏电电阻阻。压压阻阻式式加加速速度度计计原原理理结结构构如如图图所所示示。其其工工作作原原理理为为：当当有有加加速速度度a输输入入时时，检检测测质质量量受受到到惯惯性性力力作作用用产产生生偏偏转转，并并在在挠挠性性臂臂上上产产生生应应力力，使使压压敏敏电电阻阻的的电电组组织织发发生生变变化化，从从而而提提供供一一个个正正比比于于输输入入加加速速度的输出信号。度的输出信号。 经过经过20年的研究和开年的研

9、究和开发发，关于，关于压压阻式加速度阻式加速度传传感器的感器的设计设计已已经经形成了一套比形成了一套比较较成熟的理成熟的理论论体系，它具有加工体系，它具有加工艺简单艺简单，测测量方法易行，量方法易行，线线性度好等性度好等优优点，已点，已经经于于 80年代末得到广泛年代末得到广泛应应用。但是，用。但是，压压阻式加阻式加速度速度传传感器有两个很感器有两个很严严重的缺点：温度效重的缺点：温度效应严应严重；灵敏度重；灵敏度较较低，一般低，一般只能到只能到1mg（即）。通（即）。通过过温度控制温度控制电电路可以路可以对对温度效温度效应进应进行行补偿补偿，但，但提高灵敏度方面提高灵敏度方面难难度很大。度很

10、大。 15.3.2 15.3.2 电容式电容式MEMSMEMS加速度计加速度计 电电容容式式MEMS加加速速度度计计类类似似压压阻阻式式加加速速度度计计，区区别别是是在在检检测测质质量量下下面面设设置置一一个个读读取取电电极极，而而不不是是注注入入压压敏敏电电阻阻。组组成成结结构构原原理理如如图图所所示示。其其工工作作原原理理为为：当当加加速速度度输输入入使使检检测测质质量量偏偏转转时时，由由读读取取电电极极与与检检测测质质量量所所构构成成电电容容器器的的电电容容量量发发生生变变化化，从从而而提提供供一一个个正正比比于于输输入入加加速速度度的的输出信号。输出信号。 为为了提高了提高测测量灵

11、敏度，可采用差量灵敏度，可采用差动电动电容式方案。差容式方案。差动电动电容式加速度容式加速度计计的的组组成成结结构如构如图图所示。其工作原理所示。其工作原理为为硅制硅制检测质检测质量由双量由双挠挠性臂或四性臂或四挠挠性臂支承，在性臂支承，在检测质检测质量两量两侧侧的的仪仪表壳体上各表壳体上各设设置一个置一个电电极。在硅制极。在硅制检测检测质质量的表面上也需要量的表面上也需要进进行金属化行金属化处处理，它与二个理，它与二个电电极之极之间间便形成具有公便形成具有公共共电电极的二个极的二个电电容器。容器。 当加速度当加速度输输入使入使检测质检测质量偏量偏转转（对对双双挠挠性臂支承方案）或平移（性臂支

12、承方案）或平移（对对四四挠挠性臂支承方案）性臂支承方案）时时，两个，两个电电容器的容器的电电容量容量发发生差生差动变动变化，从而提供化，从而提供一个正比于一个正比于输输入加速度的入加速度的输输出信号。出信号。 电电容式加速度容式加速度传传感器具有温度效感器具有温度效应应小，灵敏度相小，灵敏度相对较对较高，高，可达可达0.01mg (即即)，加工工，加工工艺艺不复不复杂杂等等优优点，也是目前点，也是目前应应用很广用很广泛的一种加速度泛的一种加速度传传感器，缺点在于，需要感器，缺点在于，需要测测量小量小电电容，因而容，因而测测试试方法复方法复杂杂，同，同时时，由于分布，由于分布电电容和容和电电磁

13、干磁干扰扰的影响，的影响，测试测试精精确度不高。改确度不高。改进进的方法是，在的方法是，在传传感器与感器与测试电测试电路之路之间间加入前置加入前置电电路以去除干路以去除干扰扰。 15.3.3 15.3.3 静电力平衡式静电力平衡式MEMSMEMS加速度计加速度计 压阻式或电容式微机械加速度计均是开环工作方式。当沿输入轴的加压阻式或电容式微机械加速度计均是开环工作方式。当沿输入轴的加速度使检测质量产生偏转时，还将敏感沿交叉轴的加速度而引起交叉耦合速度使检测质量产生偏转时，还将敏感沿交叉轴的加速度而引起交叉耦合误差，影响加速度计的测量精度。采用闭环工作方式可以克服这一不足。误差，影响加速度计的测

14、量精度。采用闭环工作方式可以克服这一不足。静电力平衡式静电力平衡式MEMS加速度计即属于此种类型。它利用力平衡回路产生的加速度计即属于此种类型。它利用力平衡回路产生的静电力（或力矩）来平衡加速度引起的作用在检测质量上的惯性力（或力静电力（或力矩）来平衡加速度引起的作用在检测质量上的惯性力（或力矩）。施加在用以产生静电力（或力矩）的电极上的控制电压，可作为输矩）。施加在用以产生静电力（或力矩）的电极上的控制电压，可作为输入加速度的量度。其基本结构与上述差动电容式相同，但增加了一个静电入加速度的量度。其基本结构与上述差动电容式相同，但增加了一个静电力平衡回路。图为静电平衡式加速度计原理结构图。力平

15、衡回路。图为静电平衡式加速度计原理结构图。 每个每个电电极静极静电电吸引力的大小都与所施加的吸引力的大小都与所施加的电场电场强强度度的平方成正比。由于静的平方成正比。由于静电电力平衡回路具有足力平衡回路具有足够够高的增高的增益，益，检测质检测质量的偏角极小，即极板的量的偏角极小，即极板的间间隙隙变变化极小化极小时时，静静电电力矩便平衡了力矩便平衡了惯惯性力矩，故可以近似性力矩，故可以近似认为认为每个每个电电极静极静电电吸引力之矩均吸引力之矩均为为所施加的所施加的电压电压的平方成正比。的平方成正比。据此得到静据此得到静电电力矩的大小力矩的大小为为 ，式中，式中，k k为为系数，它取决于介系数，

16、它取决于介电电常数、常数、电电极的几何形状及极板的极的几何形状及极板的初始初始间间隙。将隙。将 和和 带带入上式，可得入上式，可得 ，静，静电电力矩的方向恰与力矩的方向恰与惯惯性力矩的方向相反，它具有性力矩的方向相反，它具有恢复力矩的性恢复力矩的性质质。当静。当静电电力平衡回路到达力平衡回路到达稳态时稳态时，有，有 ，于是得到，于是得到 。这这表明，如果把控制表明，如果把控制电压电压 作作为输为输出，出，则该输则该输出出电压电压与与输输入加速度入加速度a a成正比。成正比。 15.3.4 15.3.4 石英振梁式石英振梁式MEMSMEMS加速度计加速度计 在在石石英英振振梁梁MEMS加加速速

17、度度计计中中，利利用用石石英英振振梁梁或或者者称称谐谐振振器器作作为为力力的的监监测测元元件件。石石英英振振梁梁是是在在晶晶片片上上采采用用光光刻刻工工艺艺加加工工而而成成。长长而而薄薄的的石石英英晶晶体体以以一一定定的的频频率率振振动动，其其谐谐振振频频率率取取决决于于它它的的几几何何形形状状和和物物理理特特性性。如如果果晶晶体体不不受受力力时时以以某某一一谐谐振振频频率率振振动动，则则在在受受拉拉力力作作用用时时频频率率将将增增大大，受受压压力力作作用用时时频频率率减减小小。当当有有加加速速度度输输入入时时，加加速速度度计计中中检检测测质质量量的的惯惯性性力力将作用在谐振器上，使谐振频率上

18、升或下降。将作用在谐振器上，使谐振频率上升或下降。 石英振梁式石英振梁式MEMS加速度计可获得较高的测量精度。它有单振梁和双加速度计可获得较高的测量精度。它有单振梁和双振梁两种结构形式。为了改善加速度计的偏置稳定性和信噪比，通常采用振梁两种结构形式。为了改善加速度计的偏置稳定性和信噪比，通常采用双振梁即双谐振器结构形式。双振梁即双谐振器结构形式。 石石英英振振梁梁式式MEMSMEMS加加速速度度计计的的工工作作原原理理：假假定定无无加加速速度度输输入入时时，两两个个谐谐振振器器的的谐谐振振频频率率相相等等，均均为为 。当当有有加加速速度度输输入入时时，检检测测质质量量的的惯惯性性力力使使其其

19、中中一一个个谐谐振振器器受受拉拉力力作作用用，并并使使另另一一个个谐谐振振器器受受压压力力作作用用。于于是是，前前者者的的谐谐振振频频率率上上升升，从从 增增到到 ；后后者者的的谐谐振振频频率率下下降降，从从 减减至至 。两两个个谐谐振振器器的的频频率率之之差差（ - - ）与与输输入加速度入加速度a a成正比。成正比。 从从这这种种加加速速度度计计可可以以直直接接获获得得导导航航系系统统所所需需要要的的速速度度增增量量信信息息。速速度度增增量量的的计计算算公公式式为为 ，式式中中K K是是刻刻度度系系数数；N N1 1和和N N2 2分分别别是是一一个个采采样样周周期期T T内内两两个个谐谐

20、振振器器输输出出累累积积的的计计数数可可表表示示为为 ， ；因因此此速速度度增增量量公公式式可可以写成以写成 ，即可得到加速度。，即可得到加速度。 15.3.5 15.3.5 隧道效应隧道效应MEMSMEMS加速度计加速度计 硅硅层层通通过过静静电电键键合合支支撑撑在在底底层层玻玻璃璃片片上上。检检验验质质量量、隧隧道道尖尖电电极极和和悬悬臂臂梁梁都都制制作作在在硅硅片片上上。通通过过双双面面腐腐蚀蚀制制作作出出的的检检验验质质量量与与硅硅片片等等厚厚,表表面面尺尺寸寸为为22。为为了了减减小小偏偏轴轴误误差差,分分别别在在检检验验质质量量的的两两面面各各制制作作了了一一组组支支撑撑悬悬臂臂

21、梁梁。每每组组悬悬臂臂梁梁由由四四个个折折叠叠的的浓浓硼硼掺掺杂杂硅硅梁梁组组成成。在在隧隧道道硅硅尖尖上上溅溅射射上上/多多层层金金属属作作为为隧隧道道电电极极.铬铬金金属属层层为为黏黏附附层层,用用来来增增加加硅硅和和金金属属层层的的黏黏附附性性。铂铂金金属属层层为为阻阻挡挡层层,用用来来阻阻挡挡铬铬原原子子向向金金表表面面迁迁移移。铬铬原原子子迁迁移移到到表表面面就就会会迅迅速速氧氧化化,从从而而使使隧隧道道效效应应失失效效。金金是是隧隧道道电电极极的的理理想想金金属属,因因为为它它不不与与环环境境中中的的气气体体分分子子发发生生反反应应。底底层层玻玻璃璃片片是是硅硅结结构构层层和和上上

22、层层玻玻璃璃片片的的支支撑撑层层,在在其其上上面面制制作作有有两两个个金金属属电电极极。1个个电电极极为为第第2个个隧隧道道电电极极,另另一一个个电电极极为为下下偏偏转转电电极极。上上层层玻玻璃璃片片键键合合在在硅硅片片上上,制作有保护电极。所有的电极都是制作有保护电极。所有的电极都是/多层金属。多层金属。 电电子隧道加速度子隧道加速度传传感器的工作原理和（感器的工作原理和（扫扫描隧道描隧道显显微微镜镜）一）一样样，隧，隧道式加速度道式加速度计计原理原理结结构构图图如如图图左所示。左所示。图图右右为为隧道式加速度隧道式加速度计计原理原理电电路路图图。 利用隧道效利用隧道效应应做加速度做加速

23、度传传感器，可以得到极高的灵敏度，大感器，可以得到极高的灵敏度，大约约在左在左右；而且由于是右；而且由于是电电流流检测检测，抗干，抗干扰扰能力很能力很强强，温度效，温度效应应小；由于小；由于质质量量块块的机械活的机械活动动范范围围小，因而其小，因而其线线性度高，可靠性好，是加速度性度高，可靠性好，是加速度传传感器在高感器在高灵敏度，高可靠性方面灵敏度，高可靠性方面应应用的一个典型代表，也是加速度用的一个典型代表，也是加速度传传感器感器发发展的展的一个重要方向，成一个重要方向，成为为目前加速度目前加速度传传感器研究的感器研究的热门热门之一。而由于其精密之一。而由于其精密性，造成了加工性，造成了加

24、工难难度大的困度大的困难难，成品率不高。隧道加速度，成品率不高。隧道加速度计计自出自出现现以来以来显显示了巨大前景。今后的研究主要关注于提高灵敏度，降低工作示了巨大前景。今后的研究主要关注于提高灵敏度，降低工作电压电压等等方面。理方面。理论论上由于器件尺寸上由于器件尺寸缩缩小，小，热热噪声噪声变变得不可忽得不可忽视视，关于噪声的理，关于噪声的理论论研究越来越重要。研究越来越重要。 15.4 MEMS 15.4 MEMS陀螺陀螺 陀陀螺螺是是一一种种用用于于测测量量旋旋转转速速度度或或旋旋转转角角的的仪仪器器。它它在在运运输输系系统统，例例如如导导航航、刹刹车车调调节节控控制制和和加加速速度度

25、测测量量等等方方面面有有很很多多应应用用。传传统统的的陀陀螺螺可可分分成成两两类类：光光学学式式和和机机械械式式。光光学学式式陀陀螺螺利利用用光光环环使使光光束束在在相相反反方方向向旋旋转转。当当陀陀螺螺结结构构旋旋转转时时，检检测测光光束束的的多多普普勒勒位位移移。机机械械式式陀陀螺螺通通常常使使用用振振动动结结构构，尤尤其其是是MEMS陀陀螺螺仪仪。基基本本原原理理是是依依赖赖哥哥氏氏加加速速度度的的产产生生和和探测。探测。 目目前前MEMS陀陀螺螺仪仪作作为为世世界界上上微微型型陀陀螺螺仪仪的的发发展展方方向向，受受到到广广泛泛而而密切的关注，这里就密切的关注，这里就MEMS陀螺仪进行介

26、绍。陀螺仪进行介绍。 MEMS陀螺陀螺仪仪是一种很特殊的振是一种很特殊的振动动加速度加速度计计，专门测专门测量哥氏（量哥氏（Coriolis）加速度。所有振加速度。所有振动动陀螺陀螺仪仪的基本工作原理依的基本工作原理依赖赖哥氏加速度的哥氏加速度的产产生和探生和探测测。图图为为MEMS陀螺陀螺仪仪基本原理。一个最基本的振基本原理。一个最基本的振动动陀螺陀螺仪仪包括一个包括一个处处于于悬悬浮状浮状态态的的检测质检测质量量块块，可以在两个正交方向上移，可以在两个正交方向上移动动。这这个个质质量量块块必必须须运运动动才能才能产产生生哥氏加速度。哥氏加速度。这样这样，质质量量块块就会在一个平行于表面方

27、向（就会在一个平行于表面方向（图图的左右方向）上的左右方向）上振振动动。如果陀螺。如果陀螺仪绕仪绕垂直于表面方向的垂直于表面方向的轴转动轴转动，那么哥氏加速度会，那么哥氏加速度会导导致致质质量量块块沿另一个方向（沿另一个方向（图图中的上下方向）偏中的上下方向）偏转转。其中振。其中振动动的振幅与旋的振幅与旋转转的角速度的角速度成正比，所以几乎和加速度成正比，所以几乎和加速度计计一一样样的的电电容容传传感器就得到了一个和角速度成比感器就得到了一个和角速度成比例的例的电压值电压值。尽管。尽管这这看起来很看起来很简单简单，但是制作一个有效的，但是制作一个有效的MEMS陀螺陀螺仪还仪还是是需要很高的技需

28、要很高的技术术。 目前世界上微机械陀螺目前世界上微机械陀螺仪预计仪预计能达到性能指能达到性能指标标。 15.4.1 15.4.1 石英音叉石英音叉MEMSMEMS振动陀螺仪振动陀螺仪 音音叉叉振振动动式式MEMS陀陀螺螺仪仪采采用用石石英英晶晶体体作作为为音音叉叉的的材材料料，并并由由化化学学蚀蚀刻刻成成，然然后后再再用用激激光光修修刻刻调调整整平平衡衡。音音叉叉作作为为支支承承，与与仪仪表表壳壳体体相相固固连连。在在音音叉叉双双臂臂的的表表面面设设置置激激振振电电极极和和读读取取电电极极，这这些些电电极极是是在在音音叉叉表表面面先先沉沉积积一一薄薄层层铬铬再再沉沉积积一一薄薄层层金金而而成

29、成。音音叉叉的的激激振振由由石石英英晶晶体体的的逆逆压压电电效效应应实实现现，信信号号的的读读取取由由石石英英晶晶体体的的压压电电效效应应实实现现，图图为为音音叉叉式式陀陀螺螺仪仪原原理理结结构构图。图。 音叉振音叉振动动式式MEMS陀螺陀螺仪仪的原理：在激振的原理：在激振电电极上施加交极上施加交变电变电压压使音叉双臂以使音叉双臂以谐谐振振频频率振率振动动，音叉双臂上各，音叉双臂上各质质点就沿点就沿y轴轴振振动动（因振幅很小，故可（因振幅很小，故可视为线视为线振振动动）。）。设设某某质质点的点的质质量量为为m，振，振动动规规律律为为 。当。当仪仪表壳体表壳体绕绕x轴轴以角速度以角速度相相对惯

30、对惯性空性空间转间转动时动时，则则作用在作用在该质该质点上的哥氏点上的哥氏惯惯性力性力为为 。音叉双。音叉双臂上各臂上各质质点都受到交点都受到交变变的哥氏的哥氏惯惯性力的作用，使各性力的作用，使各质质点点产产生沿生沿z轴轴的振的振动动。其振幅正比于。其振幅正比于输输入角速度的大小，相位取决于入角速度的大小，相位取决于输输入角入角速度的方向。速度的方向。这这一振一振动动由由读读取取电电极极检测检测，经经解解调调后后输输出信号可作出信号可作为输为输入角速度的度量。入角速度的度量。 15.4.2 MEMS 15.4.2 MEMS硅双框架振动陀螺仪硅双框架振动陀螺仪 MEMS双框架陀螺仪结构如图所示

31、，双框架陀螺仪结构如图所示， 其工作原理是：内外框架皆可绕其挠性轴作角振动。当给驱动电极加上其工作原理是：内外框架皆可绕其挠性轴作角振动。当给驱动电极加上交变电压时，在静电吸力的作用下，外框架将绕其轴作角振动，同时带动内交变电压时，在静电吸力的作用下，外框架将绕其轴作角振动，同时带动内框架一起振动。此时，内框架便能敏感沿框架平面法线的角速度。如果沿此框架一起振动。此时，内框架便能敏感沿框架平面法线的角速度。如果沿此方向有角速度输入，那么内框架在哥氏惯性力的作用下，将绕其轴振动。这方向有角速度输入，那么内框架在哥氏惯性力的作用下，将绕其轴振动。这将引起其上敏感电容的变化，且电容变化量与输入角速度

32、的大小成正比，所将引起其上敏感电容的变化，且电容变化量与输入角速度的大小成正比，所以通过检测敏感电容变化量的大小，便可获得输入角速度值。以通过检测敏感电容变化量的大小，便可获得输入角速度值。 双框架式振双框架式振动动陀螺陀螺仪仪不同于不同于传统传统意意义义上的旋上的旋转转陀螺陀螺仪仪，由于其，由于其结结构微小（一般只有几个构微小（一般只有几个mm），信号极其微弱且易受干），信号极其微弱且易受干扰扰，对对其其结结构构进进行合理行合理设计设计，有利于减小信号，有利于减小信号检测检测的的难难度。使其工作在度。使其工作在闭环闭环状状态态，有利于提高灵敏度，提高，有利于提高灵敏度，提高测测量的量的线线

33、形度。若在形度。若在电电路中采用路中采用单单片机，可以有效地减小主片机，可以有效地减小主观观因素的影响，增加信号因素的影响，增加信号处处理的灵活度，理的灵活度，提高提高测试测试精度。精度。 15.4.3 MEMS 15.4.3 MEMS硅梳状驱动振动陀螺仪硅梳状驱动振动陀螺仪 陀螺仪的谐振器和底座上都带有梳状结构，二者交叠构成梳状电极。陀螺仪的谐振器和底座上都带有梳状结构，二者交叠构成梳状电极。因为梳状驱动的驱动力与位移无关，因而驱动振幅较大，品质因数高，因为梳状驱动的驱动力与位移无关，因而驱动振幅较大，品质因数高，电子线路实现容易。梳状驱动可分为平板式结构和动音叉式结构。电子线路实现容易。

34、梳状驱动可分为平板式结构和动音叉式结构。 梳状梳状驱动驱动平板式陀螺平板式陀螺仪仪中，中，带带有梳状有梳状电电极的极的长长方形多晶硅平板通方形多晶硅平板通过挠过挠性性支臂与支臂与单单晶硅底座相晶硅底座相连连，并被支，并被支悬悬在底座的上方。当在固定的梳状在底座的上方。当在固定的梳状电电极上施极上施加加带带有直流偏置，但相位相差有直流偏置，但相位相差180的交流的交流电压时电压时，将，将产产生沿生沿驱动轴驱动轴交交变变的静的静电驱动电驱动力，从而引起平板沿力，从而引起平板沿驱动轴驱动轴(平行于底面平行于底面)作交作交变变的的线线振振动动。当壳体。当壳体绕绕输输入入轴轴(y轴轴)以角速度以角速度

35、相相对惯对惯性空性空间转动时间转动时，将形成沿，将形成沿输输出出轴轴交交变变的哥氏的哥氏惯惯性力性力 ，m是平板的是平板的质质量。由此引起平板沿量。由此引起平板沿输输出出轴轴(垂直于底垂直于底面面)作作线线振振动动，且振幅与，且振幅与输输入角速度成正比。入角速度成正比。该该振幅可由平板与底座之振幅可由平板与底座之间间气隙气隙电电容的容的变变化来化来检测检测。当。当驱动驱动角角频频率取成与率取成与x轴轴向固有角向固有角频频率相等，工作于率相等，工作于谐谐振状振状态时态时，可得平板沿，可得平板沿输输出出轴线轴线振振动动振幅振幅 与与输输入角速度入角速度的关系的关系 15.4.4 MEMS 15.

36、4.4 MEMS静电陀螺仪静电陀螺仪 MEMS静电陀螺仪采用静电悬浮，通过力矩再平衡回路测出角速度。静电陀螺仪采用静电悬浮，通过力矩再平衡回路测出角速度。 转转子子是是由由多多晶晶硅硅制制成成的的带带有有凸凸缘缘的的扁扁平平状状圆圆盘盘，中中间间圆圆盘盘是是导导电电层层并并被被绝绝缘缘的的硅硅氮氮化化层层与与其其他他的的导导电电层层相相隔隔离离。转转子子由由五五对对多多晶晶硅硅电电极极的的静静电电力力支支悬悬在在中中间间位位置置。其其中中三三对对轴轴向向施施力力的的电电极极起起轴轴向向定定位位和和防防止止自自转转轴轴相相对对底底座座倾倾斜斜的的作作用用。沿沿转转子子周周边边设设置置的的两两对对

37、径径向向施施力力电电极极起起径径向向定定心心和和转转子子驱驱动动的的作作用用，转转子子在在两两对对径径向向施施力力电电极极的的作作用用下下高高速速旋旋转转产产生生角角动动量量。 敏敏感感电电极极位位于于转转子子下下方方，可可区区分分转转子子的的轴轴向向、径径向向偏偏移移和和自自转转轴轴倾倾斜斜。转转子子的的支支悬悬原原理理类类似似于于常常规规静静电电陀陀螺螺仪仪。当当转转子子沿沿某某个个方方向向偏偏移移时时，相相应应的的敏敏感感电电极极的的电电容容量量变变化化，经经支支承承电电子子线线路路转转换换成成控控制制电电压压，并并加加到到相相应应的的施施力电极上，由此产生的静电支承力克服了转子的偏移，

38、使其支悬在中间位置。力电极上，由此产生的静电支承力克服了转子的偏移，使其支悬在中间位置。 MEMS静静电悬电悬浮陀螺浮陀螺仪仪原理：陀螺原理：陀螺仪测仪测量角速度是借助力矩量角速度是借助力矩再平衡再平衡电电路路实现实现的。的。转转子上方两子上方两对轴对轴向施力向施力电电极起再平衡回路极起再平衡回路执执行元件的作用。当壳体行元件的作用。当壳体绕转绕转子径向某子径向某轴轴如如x轴轴以角速度相以角速度相对惯对惯性性空空间转动时间转动时，由于陀螺，由于陀螺仪仪的定的定轴轴性，自性，自转轴转轴将相将相对对底座底座倾倾斜，相斜，相应应的敏感的敏感电电极的极的电电容量容量变变化，化，经经再平衡再平衡电电子

39、子线线路路转换为转换为控制控制电压电压，并加到并加到绕绕正交正交轴轴即即y轴给轴给出力矩的施力出力矩的施力电电极上。所极上。所产产生的再平衡生的再平衡力矩力矩My使自使自转轴绕转轴绕x轴轴相相对惯对惯性空性空间进动间进动，且，且进动进动方向与壳体方向与壳体转转动动方向相同，即自方向相同，即自转轴转轴始始终处终处于壳体零位附近工作。在于壳体零位附近工作。在稳态时稳态时有有如下关系如下关系 ，式中，式中H是是转转子角子角动动量。同理，量。同理，还还有另一关有另一关系系 。由于。由于稳态时稳态时再平衡回路的控制再平衡回路的控制电压电压与与输输入角速率成入角速率成正比，因此可以正比，因此可以测测出壳体

40、相出壳体相对惯对惯性空性空间间的的转动转动，而且具有，而且具有测测量双量双轴轴速率的功能。速率的功能。 15.5 MEMS15.5 MEMS传感器的信号调理传感器的信号调理 本本节节将将讨讨论论与与微微传传感感器器接接口口电电路路相相关关的的一一些些信信号号调调理理电电路路，共共分分三三部部分，分别对应于三种常用的读出方式：压阻式、电容式和谐振式。分，分别对应于三种常用的读出方式：压阻式、电容式和谐振式。 15.5.1 MEMS 15.5.1 MEMS压阻式传感器的信号调理压阻式传感器的信号调理 1温度补偿温度补偿 材料的电阻的计算公式如下：材料的电阻的计算公式如下： 由应力引起的电阻变化为：

41、由应力引起的电阻变化为： 由由于于电电阻阻率率和和压压阻阻系系数数都都和和温温度度相相关关，温温度度降降低低，电电阻阻率率增增加加，因因此此，压压阻阻式式传传感感器器必必须须进进行行温温度度补补偿偿才才能能用用。温温度度对对单单晶晶硅硅的的电电阻阻率率影影响响尤尤其其大大，但但是是单单晶晶应应变变片片也也有有独独特特的的优优点点，它它在在噪噪声声和和漂漂移移方方面面表表现现出出较较好好的的性性能能。由由多多晶晶硅硅做做成成的的应应变变片片，它它的的电电阻阻率率增增大大可可以以通通过过适适当当选选择择掺掺杂杂水水平降低晶粒边缘电阻率来补偿。平降低晶粒边缘电阻率来补偿。 对对于温度于温度补偿补偿

42、来来说说，常用的方法是采用惠斯通，常用的方法是采用惠斯通电桥电桥方法，方法， 电桥输电桥输出出为为： 通常，通常， ，输输出出电压值为电压值为零。当与被零。当与被测对测对象相关的某一个象相关的某一个电电阻阻发发生生变变化化时时，例如，例如， 将各个将各个电电阻阻值值代入式，代入式，电桥电桥的的输输出出电压为电压为 输输出出电压电压与与电电阻的阻的变变化化为为 可可见见，输输出出电压电压与与电电阻的阻的变变化化 近似成近似成线线性关系。当性关系。当电电阻阻变变化大化大时时，由，由于式中，分母中于式中，分母中带带有有 ，因此，因此电桥输电桥输出出为为非非线线性。性。为为了改善非了改善非线线性，可

43、以采性，可以采用用电电流源代替流源代替电压电压源。源。图图是是电电流源代替流源代替电压电压源的一个例子。例中，采用两个源的一个例子。例中，采用两个电电阻与被阻与被测对测对象相关的方案，即象相关的方案，即 及及 ，运算放大器控，运算放大器控制加在制加在电桥输电桥输入端的入端的电压电压，电桥电电桥电流流为为 ，则电桥输则电桥输出出电压为电压为 比比较较可以看出，可以看出，电电路路输输出出变为线变为线性，而且灵敏度提高了性，而且灵敏度提高了2倍。倍。 如果采用四个如果采用四个电电阻与被阻与被测对测对象相关，如象相关，如图图所示，两个所示，两个应变应变片片电电阻随被阻随被测测对对象增加，另外两个象增

44、加，另外两个应变应变片片电电阻随被阻随被测对测对象减小，象减小，则电桥输则电桥输出出电压为电压为 可可见见，与，与单单臂臂电桥电桥相比，灵敏度提高了相比，灵敏度提高了4倍。倍。 2电桥输电桥输出出电压电压的放大的放大 电电桥桥输输出出电电压压正正比比于于电电阻阻的的相相对对变变化化，电电阻阻的的变变化化通通常常在在0.01%0.1%量量级级，所所以以电电桥桥的的输输出出电电压压很很小小，需需要要接接放放大大电电路路。图图是是一一种种简简单单的的差差分分放放大大电电路路，可可用用于于此此目目的的。此此电电路路的的特特点点是是差差分分输输入入电电压压被被放放大大，共共模模输输入入电电压压被抑制。

45、被抑制。 运算放大器的同相运算放大器的同相输输入端（入端（+）与反相）与反相输输入端（入端（-）电压电压 由于增益高，两个由于增益高，两个输输入端的入端的电压实际电压实际上被上被强强制在相等的水平，即制在相等的水平，即 所以所以 由于差分由于差分输输入入电压电压 共模输入电压共模输入电压 得得 当当 时时，输输出出电压电压与共模与共模输输入入电压电压无关，只与差分无关，只与差分输输入入电压电压有关，可有关，可简简化化为为 可可见见，电压电压增益由决定，共模抑制的效果取决于增益由决定，共模抑制的效果取决于电电阻匹配的程度。但是阻匹配的程度。但是图图中的中的电电路路输输入阻抗非常低，入阻抗非常

46、低，这这将将导导致致电桥输电桥输出的降低。所以出的降低。所以给给出另一种差出另一种差分放大分放大电电路，常称路，常称为仪为仪表放大器。表放大器。 假定没有假定没有电电流流入最前端的两个放大器流流入最前端的两个放大器输输入端，入端，则则 通常通常 ，如果，如果 ，则则整个整个电电路的路的输输出出为为 3抑制噪声和失抑制噪声和失调调 由由于于MEMS压压阻阻式式传传感感器器的的电电阻阻变变化化非非常常小小，放放大大器器所所引引入入的的噪噪声声和和失失调调电电压压很很容容易易淹淹没没传传感感器器的的信信号号，尤尤其其是是缓缓慢慢变变化化的的失失调调电电压压很很难难与与传传感感器器的的信信号号分分离

47、离。采采取取的的办办法法通通常常是是：输输入入电电压压围围绕绕一一个个载载频频fc被被调调制制，调调制制后后的的交交流流信信号号被被放放大大器器放放大大后后再再被被解解调调。图图给给出出了了一一个个例例子子。例例中中的的输输入入电电压压的的调调制制用用一一个个开开关关表表示示，产产生生出出一一个个幅幅度度等等于于输输入入电电压压的的方方波波，方方波波信信号号被被放放大大后后再再通通过过一一个个乘乘法法器器解解调调，这这样样，可可以以将将低低频频噪声和失噪声和失调调有效地有效地滤滤除。除。 15.5.2 MEMS 15.5.2 MEMS电容式传感器的信号调理电容式传感器的信号调理 对对MEMS

48、MEMS电电容容式式传传感感器器的的信信号号调调理理，通通常常采采用用两两种种方方法法。方方法法一一，是是将将电电容容变变化化转转变变成成频频率率变变化化。例例如如转转变变成成正正弦弦振振荡荡、张张弛弛振振荡荡等等。此此种种方方法法的的优优点点是是频频率率信信号号易易于于被被数数字字电电路路接接纳纳，而而且且可可以以实实现现长长距距离离的的无无损损传传输输。方方法法二二，是是电电容容连连接接到到电电桥桥中中，测测量量其其变变化化。这这种种方方法法较较简简单单，因此要将传感器与信号调理电路集成到同一个芯片上时，常采用此法。因此要将传感器与信号调理电路集成到同一个芯片上时，常采用此法。 1电电容

49、容频频率率变换变换 电电容容频频率率变变换换电电路路的的输输出出是是频频率率，输输入入是是电电容容，电电容容变变化化决决定定频频率率变变化。化。 图图中中的的电电路路由由一一个个施施密密特特触触发发器器，一一个个电电容容和和两两个个电电流流源源构构成成。电电容容施施密密特特触触发发器器的的两两个个电电平平之之间间充充放放电电，振振荡荡周周期期由由上上升升和和下下降降时时间间之之和和计计算算 采用施密特触采用施密特触发发器构成器构成电电容容频频率率变换变换的缺点是施密特触的缺点是施密特触发发器器输输入入端端对对地的寄生地的寄生电电容会影响震容会影响震荡荡器的器的频频率。率。这这个寄生个寄生电电

50、容可能会容可能会远远远远超超过传过传感器感器电电容。所以，当容。所以，当传传感器不接地感器不接地时时，可以，可以选择图选择图所示的消除寄生所示的消除寄生电电容影容影响的响的电电容容频频率率变换电变换电路。路。图图中，中，传传感器的一感器的一侧侧由由电压电压源源Vhigh和和Vlow驱动驱动，通通过电压过电压源源驱动驱动，有效地消除了寄生，有效地消除了寄生电电容容Cp1的影响。的影响。传传感器的另一感器的另一侧连侧连接接一个比一个比较较器，比器，比较较器器总总是在是在输输入端入端处处在同一个在同一个电压电电压电平平时时开关，开关，这样这样寄生寄生电电容容Cp2两端的两端的电压总电压总是相等的，因

51、此，是相等的，因此，虽虽然然传传感器和感器和Cp2构成的构成的电电容分容分压压器会影响比器会影响比较较器器输输入断的入断的电压电压幅度，但是幅度，但是Cp2却不会却不会对对震震荡频荡频率有直接的影率有直接的影响。响。 2阻抗阻抗电桥电桥 将将电电容容接接入入桥桥路路与与电电阻阻接接入入桥桥路路相相同同，区区别别是是需需要要采采用用交交流流电电源源电电压压。图图中中给给出了一种出了一种对对称称驱动驱动的的电电容容电压电压分配器。分配器。 输输入入电电压压可可以以是是方方波波，也也可可以以是是正正弦弦波波。Cp是是寄寄生生电电容容，R为为寄寄生生电电阻阻， ， 。当忽略寄生。当忽略寄生电电容和寄

52、生容和寄生电电阻的影响阻的影响时时，输输出出电压为电压为 事事实实上上，对对于于MEMS传传感感器器来来说说，传传感感器器的的电电容容非非常常小小，寄寄生生电电容容和和寄寄生生电电阻阻的的影影响响不不能能忽忽视视，只只有有当当电电阻阻R比比传传感感器器的的电电容容在在信信号号频频率率f下下的的阻抗大很多阻抗大很多时时，寄生，寄生电电阻才能被忽略。阻才能被忽略。 对对于于寄寄生生电电容容的的影影响响，可可以以采采用用有有源源防防护护技技术术或或自自举举技技术术有有效效地地消消除除。电电容容型型分分压压器器跟跟随随了了一一个个由由运运算算放放大大器器和和一一个个反反馈馈电电容容Cf构构成成的的电

53、电荷荷放放大大器器。运运算算放放大大器器将将调调整整其其输输出出电电压压到到差差分分输输入入电电压压保保持持为为零零。寄寄生生电电容容两两端端的的电电压压可可以以视视为为零零，因因此此寄寄生生电电容容也也被被消消除除了了。假假设设输输入入信信号号为为方方波波，则则 的的电电荷荷将将注注入入电电路路，由由于于电电流流不不可可能能流流入入放放大大器器输输入入端端，放放大大器器将将调调整整输输出出电电 压压 使使 电电 荷荷 传传 送送 到到 反反 馈馈 电电 容容 Cf， 这这 样样 幅幅 度度 为为 的的 输输 入入 方方 波波 的的 输输 出出 为为 。 15.5.3 MEMS 15.5.3

54、 MEMS谐振式传感器的信号调理谐振式传感器的信号调理 大大多多数数谐谐振振式式传传感感器器，在在谐谐振振点点频频率率附附近近，机机械械谐谐振振可可以以用用图图中中的的串串联联谐谐振振电电路路和和并并联联谐谐振振电电路路的的电电模模型型描描述述。谐谐振振频频率率0点点附附近近，串串联联谐谐振振电电路路具具有有阻阻抗抗Rs最最小小，相相移移为为零零的的特特点点，即即Cs与与Ls的的组组合合阻阻抗抗为为零零。而而并并联联谐谐振振电电路具有最大阻抗，即路具有最大阻抗，即Cp与与Lp的组合阻抗为无穷大。的组合阻抗为无穷大。 测测量量谐谐振振式式传传感感器器的的谐谐振振频频率率最最简简单单的的办办法法是

55、是将将谐谐振振式式传传感感器器构构建建一一个个电电子子振振荡荡电电路路，振振荡荡频频率率取取决决于于传传感感器器的的特特性性。电电子子振振荡荡电电路路中中，振振荡荡频频率率与与谐谐振振频频率率接接近近。图图示示为为振振荡荡器器电电路路模模型型，它它由由放放大大器器和和谐谐振振器器两两部部分分电电路路组成，传感器作为谐振器的组成部分之一。组成，传感器作为谐振器的组成部分之一。 对对于一个于一个稳稳定的振定的振荡荡来来说说，需要，需要满满足巴克豪森振足巴克豪森振荡荡准准则则（Barkhausen criterion），如下：），如下： 方程中，方程中， 是是电电路的开路的开环频环频率响率响应应，

56、表示，表示环环的增益必的增益必须严须严格等于格等于1，表示，表示环环的相移必的相移必须为须为0或或360度的整数倍。振度的整数倍。振荡频荡频率不完全等于率不完全等于谐谐振振频频率率 ，因，因为为由放大器引起的相移必由放大器引起的相移必须须由由谐谐振器的相移来振器的相移来补偿补偿。 图图示示为为振振荡荡器的一种可能的器的一种可能的电电路路实现实现。决定。决定频频率的率的单单元是一个串元是一个串联谐联谐振振电电路。路。谐谐振器与振器与电电阻阻R构成一个分构成一个分压压器，当器，当R近似等于近似等于RS时时，导导致致谐谐振振频频率率的衰减因子的衰减因子为为2，因此，放大器的增益，因此，放大器的增益应应不小于不小于2才能起振。才能起振。 激励和激励和检测谐检测谐振式振式传传感器的振感器的振动动的方法有两种，一种是将的方法有两种，一种是将单单个元件个元件组组合到激励合到激励检测结检测结构中，构成一个构中，构成一个单单端口端口谐谐振器。方振器。方法二是采用分离元件激励和法二是采用分离元件激励和检测检测，构成一个双端口，构成一个双端口谐谐振器。振器。图图示示为为两种两种谐谐振器的模型。振器的模型。