本实验结合国家创新型高科技科研项目中真实案例，以“MEMS电容式加速度计”为对象进行虚拟仿真实验。该传感器是基于极距变化型的MEMS传感器，其中一个电极是固定的，另一电极是梳齿状可动弹性极板，与固定电极形成电容。可动弹性极板在加速度作用下发生位移，可动弹性极板和固定极板之间的电容就会发生相应的变化；从力学角度看是一个质量—弹簧—阻尼系统，加速度通过质量块形成惯性力作用于系统，如图3-1所示。

图1 电容式加速度传感器基本原理图

根据牛顿第二定律及电容式加速度传感器的数学模型，可通过敏感电容变化量测量与加速度可正比的位移变化，通过调理电路对弱信号的调制、滤波，检测电容的变化量从而输出电压的变化，就等同于测得了质量块的位移，继而解算加速度。

虚拟仿真平台可引导学生对MEMS加速度计的工艺流程进行设计，除传统的光刻、薄膜沉积等IC工艺外，还有如湿法刻蚀和干法刻蚀、薄膜沉积、刻蚀工艺和键合等特殊微加工技术等虚拟仿真实验；将真实工艺中可能出现的工艺步骤与参数设置问题预设在仿真系统中，提升工艺流程设计的仿真度，同时通过晶圆参数、初始电容等各工艺环节带来的误差引入到结构加工误差中，进而影响传感器的性能指标，实现与实际工艺一致性目标。

MEMS电容加速度计的敏感电容信号非常微弱，采用具有噪声水平低、温漂小的电荷放大检测方案将微弱电容变化量转换为电压输出，为了避免低频噪声对测控电路性能的影响，采用调制解调技术将敏感电容信号调制到髙频段，降低电容容抗从而减小有用信号的衰减。根据载波激励及检测方式的不同可形成多种电容检测电路方案。

传感器校准包括静动态参数校准。静态校准通过离心机静态校准方法，通过离心机旋转产生的离心加速度激励加速度计，并通过最小二乘法拟合传感器输出与标准激励间的关系，从而获得零偏、标度、标度非线性等参数；动态校准利用水平线振动台模拟不同频率的线振动过程，激励MEMS加速度计传感器输出，并实时绘出MEMS加速度计传感器的输出幅频曲线，根据曲线上的特征点得到MEMS加速度计的带宽、固有频率和阻尼比等指标，实现高仿真度的标定过程。

根据设计的不同量程加速度计，设置了两种场景。一是根据身管武器射角测量的应用需求，二是利用加速度计测量旋转弹体在飞行过程中转速，学生通过探究思考，分析在应用环节中加速度计需要在哪些方面进行性能优化，并给出具体的设计思路和改进措施。

知识点：共5 个

1. MEMS加速度计的工作原理和过程；

2. MEMS加速度计的结构设计及工艺流程；

3. MEMS加速度计的调理电路的设计；

4. MEMS加速度计的静动态校准原理和过程；

5. MEMS加速度计的特性指标的计算与分析。