MEMS加速度计的国内外研究现状及发展趋势
微机械加速度计性能比较
指标 压阻式 压电式 电容式
尺寸 中 小 小
灵敏度 中 中 高
DC响应 可 不可 可
温度范围 中 宽 很宽
冲击引起的漂移 无 有 无
通过定性的比较，电容式加速度计的综合性能最为优秀。因此，电容式微加速度传感器一直是人们研究的热点。
电容式加速度计的可运动质量块构成了可变电容的一个可动电极。当质量块受加速度作用而产生位移时，由固定电极和可动电极之间构成的电容量发生变化。将这种变化量用外围电路检测出来就可测量加速度的大小。电容式加速度传感器的典型结构示于图1.2中[3]，图1.2(a)为平板电容式加速度传感器，图1.2(b)为叉指电容式加速度传感器.为了得到较高的测量灵敏度和减小外围电路的复杂性，在设计中都采用增加电极面积和减小电极之间的间距来获得较高的等效电容。为了增加输出信号的分辨率，常常采用差动电容式的测量结构。电容式加速度传感器相对于其他传感器而言具有温度效应小，重复性好等优点。然而，电容式加速度传感器也存在电容变化易受分布电容干扰、外围测控电路相对复杂等缺点。
(a)平板电容式加速度传感器 (b)叉指电容式加速度传感器
微机械电容式加速度传感器
由于采用 MEMS 技术制备的加速度计尺寸很小，所以惯性质量块响应加速度的位移和以及电容变化都非常微弱，为了提高测量精度，一般情况下所设计的微电容式加速度计都是采用差分电容测量方式[4]。差分测量的两个电容，由于在相同的环境下受到的外界干扰噪声一样，所以可以通过相减消除或抑制共模的环境变化因素影响，把绝大部分干扰噪声排除掉，大幅提高信噪比，差分电容原理如图1.3 所示。
差分电容原理图
差分电容结构的微机械电容式加速度计按照惯性质量块结构分为三种类型：三明治式，扭摆式，疏齿式。[5]三明治摆式电容加速度计又称作悬臂梁式硅微机械加速度计，三明治式的电容加速度计质量块惯性较大，灵敏度较高，主要代表有 Endevco 公司和 Motorola 公司的两款 Z 轴敏感的加速度计。Endevco 公司所设计的 Z 轴加速度计基于体微加工技术，如图 1.4 所示，首先在一个硅片上通过体硅刻蚀形成质量块结构，然后通过其它的半导体工艺技术完成相应的电学连接及制备出键合的框架，
接着把已经制备好电容极板的两个硅片和质量块硅片通过阳极键合技术键合在一起，质量块结构夹在中间，这样上下两个硅片和中间的质量块形成差分电容结构[6]。
Endevco 公司三明治式加速度计
Motorola 公司则是利用了表面微加工技术制备成功了三明治式的 Z 轴电容式加速度计，如图 1.5 所示，它利用了掺杂的多晶硅薄膜作为结构层材料，三层的多晶硅薄膜中，上下两层作为固定的电容极板，中间层的多晶硅作为惯性质量块层，使用光刻、刻蚀和牺牲层等技术使得第二层形成悬空支撑结构的质量块，最后引出电学连接引线就可以完成制备。当在 Z 轴有加速度载荷时，中间层的惯性质量块就会出现上下位移，从而和上下两个固定极板构成差分电容结构。
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