1。1。3 热对流式MEMS加速度计

热对流式MEMS加速度计是将加速度和电压的变化进行转化，简单来说，工作原理就是检测体内气流的加速度。其结构中由于不需要质量快，所以结构简单紧凑、有较强的抗冲击能力[10]。其中一个典型的热对流式MEMS accelerometer的机械构造图如图1。2所示[11]。

图1,2 热对流式MEMS accelerometer的机械构造图

当没有外界力干扰的情况下，腔中气体的流动方向与热源的平面维持直角的几何关系，并关于中部的加热元件形成两边镜像的关系，使得两个热敏元件测出的温度相同。若施加横向外部作用力，气体分子因为加速度的改变引起对流式的改变，从而两个热敏元件检测的温度存在不可忽略的偏差值。而此温度差值和系统所要检测的数值有关，通过此关系可测出所需的信号值。

1。1。4 电容式MEMS加速度计

本次毕业设计所模拟的是MEMS电容式加速度计（capactive micro-accelerometer,简称CA，下文统称为CA）。1970年后期到现在，全球开展了对MEMS电容式加速度计的研究，到现在已经形成了一套较为成熟的理论体制[12]。电容式加速度计的原理为[13]：当外界产生加速度时，质量块由于惯性力的作用会向反方向运动，而质量块产生位移后将会受到阻尼力和弹簧的反向作用力。此时质量块所产生的位移变化与所加加速度逐一对应。当质量块发生位移时,质量块代表的动极板和上下定极板之间的电容会发生一系列对应的变化。如果测得此时电容的变化，就相当于测出了质量块的位移,那么相应的就可测出外界的加速度。

图1。3所示为一种典型的三层叠加摆式结构的CA结构图[14]。当有外部作用力作用时，质量块相对于平衡位置有了一段空间偏移，同时其和其中一个定极板间的距离值相应的变大，而和另一个定极板间的间距则会减小，这种情况下将会形成差动电容。通过理论的推导可知在质量块的位移量比较小时差动电容的值和外界所加加速度的大小可近似看作线性关系。但由于此种电容式加速度计制作工艺复杂困难，且悬臂梁所承受的应力大小有限，所以此类加速度计的测量范围一般较小。

图1。3  三层叠加式摆式结构的CA原理图

电容式加速度计目前在各个领域中的应用都是十分频繁的，拥有灵敏度相对比较高、温度效应较小、加工工艺不太复杂等诸多优势也使得其在未来的潜力是十分巨大的。

现阶段对于国外进行MEMS加速度计有非常多的研究成果和研究机构，而主要机构包括有ST、AD、MIT Draper 、VTI等，通过这些实验室和公司的常年致力于提高其能够达到的分辨率，而其成果是MEMS加速度计的该方面数值可超过100μg。而国内进行MEMS加速度计研究的主要机构有浙江大学、清华大学、中电十三所、北京大学、上海微系统所、东南大学等，因为我国所生产的加速度计依然使用的是老旧的压电技术，所以其精度较低，基本处于100μg的水平[15]。源-于,优Z尔%论^文.网wwW.yOueRw.com 原文+QQ752018~766

由于MEMS加速度计存在很多劣势，如：分辨率不高、精度较小、动态范围不大等，所以该种加速度计无法适应要求较高的科研和军用场所而是只能在对检测结果要求较低的民用领域使用 [16]。而开环加速度计的系统指标如灵敏度、精度和动态范围等通过改变它的参数以达到指标的同时改善是不现实的[17]，所以为了提高测量精度即同时提高分辨率和动态范围，需要在原有MEMS加速度计上加入闭环反馈模块。

1。2 闭环控制系统简介

加速度计可按照是否有反馈的标准分为两类，一类是开环式，另一类是闭环式[18]。开环加速度计的性能由测量范围，通带和线性度等限制，而闭环系统可以增大其线性特性以增加其性能的表现。闭环可以使质量块保持在两固定电极之间的中心位置以抑制吸合现象并提高加速度计的工作带宽[19,20]。综上所述，若MEMS加速度计中含有闭环控制系统，则可以通过该系统的优势和机制保证加速度计在要求的情况下保持相对稳定的状态，相应的其动态范围相较于一般的情况而言也有了明显的扩展，极为适应复杂情况下的高灵敏度检测。