MEMS
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第３３卷第３期 ２０１５年９月 篥 糍 通 瓣未
ＪＩＣＨＥＮＧＤＩＡＮＬＵ ＴＯＮＧＸＵＮ Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２０１５
ＭＥＭＳ加速度计技术特点与测试方法研究
白小丽
（北方通用电子集团有限公司微电子部 苏州２１５１６３）
摘要：目前微机械加速度计的研究方向集中于电容式、谐振式，主要使用光刻、腐蚀等以集成电
路工艺为基础的硅微机械加工技术以及表面微加工和体微加工工艺。具有代表性结构的有三种加速度 计：“跷跷板”摆式电容加速度计、“三明治”摆式电容加速度计和硅微谐振式加速度计。加速度计的性
能指标主要包括量程、阈值、分辨率、零偏、标度因数等。加速度计测试分析的软硬件条件日渐成熟，针
对特殊使用的功能与参数测试分析是研究方向。
关键词：微机械加速度计；量程；零偏；参数测试
１ 引 言
微机械加速度计（ＭＥＭＳ加速度计）是基于
半导体制造工艺和微机械加工工艺为基础发展起
来的一种惯性器件，用于测量运动物体的线加速
度，其结构尺寸在微米量级，具有体积小、质量轻、
成本低、能耗低等一系列特点，有着广阔的应用前
景和巨大的市场价值。在军事领域的应用包括飞
导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼控制等应
用。在民用领域的应用包括汽车领域的安全气
囊、悬挂系统、车身稳定控制、消费电子领域的照
摄像机稳定系统、硬盘保护工业领域的机器人控
制、机床振动测试、电梯控制以及医学领域的运动 与睡眠状态监视和环境能源领域的地震预警、石 油勘探等。文章主要介绍ＭＥＭＳ加速度计的类
型及技术特点、主要性能参数以及测试评价方法。
２ ＭＥＭＳ加速度计的类型及技术特点
对于ＭＥＭＳ加速度计的研究开始于二十世
纪７０年代初期，其主要工作模式包括谐振式、电
容式、压电式、力平衡式、热对流式、压阻式和隧道
电流式等多种形式。目前微机械加速度计的研究
方向集中于电容式、谐振式，主要使用光刻、腐蚀
等以集成电路工艺为基础的硅微机械加工技术以 及表面微加工和体微加工工艺¨工Ｊ。本文主要介
绍三种加速度计：“跷跷板”摆式电容加速度计、 “三明治”摆式电容加速度计和硅微谐振式加速
度计。 ２．１“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
微机电加速度计（Ｐｅｎｄｕｌｏｕｓ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ
Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ＰＭＳＡ），其典型结构如图１所示。
敏感质量块（既“跷跷板”）与下面的玻璃基片（基
片上的镀金属电极）之间形成差动检测电容。由
于质量片分别位于支承扭梁两边的质量和惯性矩
不相等，所以当存在垂直于基片的加速度输入时，
质量片将绕着支承梁扭转，从而电容大小改变。
相应的一对电容总是一个增大，一个减小，形成差
动电容，检测差动电容值即可得到沿敏感轴输入 的加速度。摆片与基片之间形成的差动电容由载
波信号激励，输出的电压经过放大和相敏解调作
为反馈信号加给力矩器电容极板，产生静电力，使
礓打囊 挺 糖 鱼簟 麓簟艟
图１“跷跷板”摆式电容加速度计结构示意图 墨 溅 遥 萋 第３３卷第３期
得极板的转角回到零位附近。加在力矩器电容板
上的平衡电压和被测加速度成线性关系 Ｊ。
“跷跷板”摆式电容加速度计性能的好坏与
设计参数的正确选取有很大的关系。增大不平衡
质量及其挠性轴的距离，可以提高检测灵敏度，但
量程将减小；施力电极板的有效面积的大小与施
力电极板位置的排列均对加速度计灵敏度和量程
有一定的影响。当要求高灵敏度，而对量程要求
不是很高时，可将敏感电极板置于外测，施力电极
板置于外测；反之，则将一对施力电极板置于一对
敏感电极板的外测，且适当加大施力电极板的有 效面积 Ｊ。运用数学规划理论，以计算机为辅助
工具对一些性能参数进行优化，可以得到较好的 效果。加速度计的一项重要性能指标是其灵敏度
的大小。因此，在满足加速度计的量程、耐冲击和
偏置稳定性等性能的基础上，对加速度计结构进
行优化以尽量提高其灵敏度，这是进行加速度计
结构设计时需要考虑的一个重要问题。 扭摆式硅微加速度计具有结构简单、制作容
易、耐冲击、检测电极与施力电极可分开、单独设
置等特点，主要用于战术武器中制导和灵巧炸弹
等场合。
２．２“三明治”摆式电容加速度计
“三明治”摆式电容加速度计最多的结构类
型称为悬臂梁式硅微机电加速度计（Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ
Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ＣＭＳＡ），如
图２所示。夹在中间的敏感质量摆片与镀在上下 两边玻璃上的检测电极形成一对差动电容敏感输
入加速度的大小；另外，通过镀在两边玻璃上的加
力电极施加静电反馈力，形成闭环控制系统 。
如果排除加工难度的因素，这种结构较为理想，该
结构可以做出精度较高、稳定性好的加速度计。
图２ “三明治”摆式电容加速度计的检测电容与
“跷跷板”摆式电容加速度类似。其开环电路的
工作原理为：摆片与检测电极之间形成一对差动
电容，由载波信号激励，输出的电压信号经过一定
频率的载波信号进行调制，然后通过整流器和低
通滤波器整流解调滤除载波信号，最后按照一定
的放大倍数将电荷放大器输出的电压值放大输
出；闭环电路的工作原理是将开环的输出信号经
过ＰＩＤ调理后，通过加力电极施加静电反馈力，使
敏感结构的平衡点维持不变 Ｊ。
根据所用三层材料的不同，“三明治”式敏感
结构可以分为两类：一类是玻璃一硅一玻璃结构；
另一类是全硅结构，又可细分为硅一硅一硅结构 和两层多晶硅一层硅的结构。
簟巷震量 ■絮电镶
量臀纂
嗣窟毫挂
图３“三明治”摆式电容速度计结构示意图
“三明治”摆式电容加速度计除可用于战术
武器外，还用于探矿测震等领域。
２．３硅微谐振式加速度计 硅微谐振式加速度计（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ａｃ—
ｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ＳＲＡ）是力敏感微机械加速度计的一
种，其基本工作原理如图４所示：检测质量块ＭＰ
将沿敏感方向的加速度Ｑ转化为惯性力Ｐ施加于
振梁的轴向，导致谐振频率的改变，可通过梳齿电
容等方式检测该变化力，从而间接测得加速
度 。
…．．．．． 图４硅微谐振式加速度计工作机理示意图 硅微加速度计 。
蔓篡溅 路 鞴篓 第３３卷第３期
（ｂ）设置离心机的工作参数，依次输入加速 度值，并测量加速度计的电压输出，直至加速度计
的输出达到饱和电压为止；
（ｃ）记录与加速度计输出饱和电压对应的加
速度值，即为该加速度计的量程。
４．２阈值
（ａ）分度头转轴处于水平位置，并将分度头
转到０。位置，加速度计安装到分度头上，输入基
准轴（ＩＲＡ）位于水平方向，并且当分度头转到９Ｏ。
位置时输入基准轴（ＩＲＡ）的正方向垂直向上；
（ｂ）加速度计上电预热，输出稳定后记录分
度头在０。位置上加速度计的输出；
（ｃ）将分度头的位置转至＋Ａ０，测量加速度
计的输出值，然后回到０。位置，测量加速度计的
输出值；
（ｄ）将分度头的位置转至一△０，测量加速度
计的输出值，然后回到０。位置，测量加速度计的
输出值；
（ｅ）重复（ｃ），（ｄ）三次；
（ｆ）计算加速度计的输出增量，计算在给定加
速度输入增量的条件下，加速度计的输出应大于
按标度因数计算的变化量的。
Ａ０为加速度增量对应的角速度增量，在重力
场下加速度增量与角速度增量的对应关系见式（１）：
△０【ｉ＝ｇ［ｓｉｎ（０ｌ＋＋△０）一ｓｉｎ０１］ （１）
式中：Ａａ 为加速度增量（单位：ｇ）；０ｉ为分度
头起始角度（单位：ｒａｄ）；Ａ０为角度增量（单位：
ｒａｄ）；在式（１）中，分度头起始角度ｅ；为０。。
４．３分辨率 （ａ）分度头转轴处于水平位置，并将分度头
转到０。位置，加速度计安装到分度头上，输入基
准轴（ＩＲＡ）位于水平方向，并且当分度头转到９Ｏ。
位置时输人基准轴（ＩＲＡ）的正方向垂直向上；
（ｂ）加速度计上电预热；
（ｃ）转动分度头到一定角度（一般为３０。或
１５０。），记录加速度计的输出；
（ｄ）将分度头按角度增量＋△ｅ转动，共递增
三次，记录各次加速度计的输出值； （ｅ）计算加速度计的输出增量，计算在给定
加速度输入增量的条件下，加速度计的输出应大
于按标度因数计算的变化量的，采用公式（１）计
算分辨率对应的角度增量，式中为测试中分度头
的实际起始角度。
４．４零偏
将ＭＥＭＳ加速度计固定在分度头上，设定加
速度计输出测量的采样间隔及测试时间；接通电
源，记录加速度计在测试时间内的输出，数据为采
样间隔内的累计，一般情况下，数据测量长度（测
试时间）应足够长（至少以上）使测得的性能特性
达到要求的置信度。数据采样速率应至少是要求 的最高频率的两倍。按照式（２）进行计算：
Ｂ０＝詈 （２）
式中：Ｂ。为零偏；Ｅ为输出值的平均值；Ｋ为
标度因数。
４．５零偏稳定性 测试设备和测试方法同上，按式（３）计算零
偏稳定性：
【 ； 】ｌ／２ （３）
式中：Ｂ。为零偏稳定性；Ｋ为标度因数；Ｅ；为
加速度计第个输出值； 为输出值的平均值；１３为
采样点数。
４．６零偏重复性
测试设备和测试方法同上，设定加速度计输
出测量的采样间隔时间及测试时间；接通ＭＥＭＳ
加速度计电源，记录加速度计在测试时间内的输
出，数据为采样间隔内的累积；将ＭＥＭＳ加速度
计及专用工作设备全部关机，在室温中冷却一定
时间；一个测试周期包括测试一定时间、冷却一定
时间，重复测试次（６次以上）。每一次的测试数
据，按式（２）进行处理，求出零偏后，按式（４）计算
出次测试的零偏重复性：
［击ｉ差（ 也） 】１／２ （４）
式中：Ｂ 为零偏重复性；Ｑ为测试次数；Ｂ。；为
第ｉ个测试温度点的零偏； 为零偏的平均值。
