MEMS传感器原理与结构简析

EF$$国外油田工程第’B卷第B&期（’&&%GB&）$$

!"!#传感器原理与结构简析

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编译：孔令纲（大庆石油管理局物探公司）审校：沈景春（大庆石油管理局物探公司）*/.0)*.3#9541:）和带有闭环反馈的信号转换控制;#<=（;>>3)*.4),0#>1*)?)*<041@+.412=)+*A)4特定用途集成电路）系统。

B，!"!#传感器概述（B）基本电路原理

!"!#传感器有开环和闭环两种。在作为地震传感器之前，!"!#传感器多于自动控制领域，如美国模拟设备公司的;CD系列开环!"!#传感器（见图B）。该系列加速度传感器既可以测量动态加速度，又可以测量静态加速度。由于其噪声太大，

MEMS传感器原理与结构简析

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$$摘要$尽管常规地震检波器发展已有%&年的历史，体积变得很小，灵敏度很高，并且较好地压制地面噪声，但!"!#加速度传感器仍然以其直接的数字输出、高的矢量保真度和良好的低频响应，逐渐成为新世纪地球物理勘探技术发展中的重要角色。文章对!"!#传感器进行了概述，对其结构与工作原理进行了简要分析。

主题词$!"!#加速度传感器$质量体灵敏度

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一、引言

!"!#技术是一项有着广泛应用前景的基础技术，是从早期的汽车胎压传感器、开发安全气囊试验和航空电子等大冲击量设备检测而逐渐发展起来的，至今已有’&多年的历史。自’&世纪(&年代中后期以来，!"!#技术得到快速发展。目前，美国和日本在该技术领域处于领先地位，巳开发出各类微传感器和微执行器，其中微压力传感器、微加速度计、打印机喷嘴和数字镜面显示器件已批量生产，并取得了巨大的经济效益。

!"!#（!)*+,-!.*/)012

"31*4+,

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#105,+）是微机电机械传感器的简称，它是一种微米级的类似于集成电路的装置和工具，现已应用于汽车、计算机和国防工业以及生命科学和日常生活中。!"!#涉及的基础性研究包括尺度效应和表面效应、微流体力学、力学和热力学基础、微机械特性和微摩擦学等。

在物探领域，!"!#技术已逐步得到应用。利用它开发的新一代全数字地震加速度传感器，其输出从直流到678交流范围内，均呈现加速度检波器的特性，且具有极低的固有噪声和畸变、直接的数字输出、高的矢量保真度和良好的低频响应。

二、!"!#传感器结构及原理分析

!"!#加速度传感器主要有两部分：微电子技

术加工的电容性机械振动系统（万方数据!)*+,"31*4+,!1-

决定了它不能用作地震检波器。图B$开环加速度传感器原理图

闭环加速度传感器基于电容变化原理，惯性质体将加速度作用进行放大并转换成电容极板的位移。差动电容的变化通过检测电路变成电信号，在经过力平衡回路反馈，激励可移动的电容极板始终处于平衡位置。反馈信号同时作为输出，它表明了输入加速度的大小（见图’）。被反馈力测量的传感器响应值由芯片内部的一个%阶!";C=转换成数字量，输出B’(678

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