静电悬浮电容式惯性测试组合设计

本科毕业设计（论文）毕业设计说明书(论文)静电悬浮电容式惯性测试组合设计作 者 :学 号：学院 (系 ):专 业 :指导教师： 评 阅 人： 20*年 6 月本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书学 院（系）：专 业 ：学 生 姓 名：学 号：设计 (论文 )题目 ： 静电悬浮电容式惯性测试组合设计起 迄 日 期 : 20*年 3 月 1 日 20*年 6 月 15 日设计 (论文 )地点 :指 导 教 师 :专 业 负 责 人 :发任务书日期:20*年 3 月 1 日本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）任 务 书1毕业设计（论文）课题的任务和要求：1、查阅有关静电悬浮原理文献；2、了解电容加速度计技术原理及目前发展状况；3、设计一种简单易行的静电悬浮式加速度传感器；4、查询 10篇以上文献，其中至少 1-2篇外文资料； 2毕业设计（论文）课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1、了解电容加速度计技术技术原理及目前发展状况；2、设计一种简单易行的静电悬浮式加速度传感器；3、完成论文撰写；4、外文资料翻译。本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）任 务 书3 对毕业设计（论文）课题成果的要求 包括毕业设计 (论文 )、图纸、实物样品等 )：1、毕业论文一份；2、 英文文献一份，相应的中文译文一份。 4毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期 工 作 内 容2005 年1月 15日 3 月 31日4月 1 日 5 月 31日6月 1 日 6月 20日6月 21 日 6 月 25日系统学习，查阅资料，作开题报告资料整理，总结，实验撰写毕业论文论文答辩所在专业审查意见：负责人： 年 月 日学院（系）意见：院（系）领导： 年 月 日本科毕业设计（论文）毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院（系）：专 业 ：设计 (论文 )题目 ： 静电悬浮电容式惯性测试组合实验设计指 导 教 师 :20*年 3 月 20 日本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System)加工工艺的不断发展,微加速度计的研发技术越来越成熟,国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。微加速度计与通常的加速度计相比,具有很多优点:体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域,具有广阔的应用前景。常见的微加速度计按敏感原理的不同可以分为:压阻式、压电式、隧道效应式、电容式以及热敏式等。 近年来微机械电容式力平衡加速度计的研究吸引了大批科技工作者的注意力,发展迅速,国外已经实现了批量生产。其中包括的光电反馈式静电悬浮技术也是一门前沿的技术，内容涉及光、机、电等多方面的技术，如光电位置检测、微进给机构设计、PID 控制技术、直流电压放大技术等等。静电悬浮电容式加速度计灵敏度高,量程小,频带窄.适合测量慢变的微弱加速度,这一特点在太空微加速度测量上具有不可替代的明显优势,倍受国际宇航界的重视.磁悬浮技术及其应用磁悬浮的机理基于磁体与悬浮体之间的电磁力。在最简单的磁悬浮装置中, 可采用永久磁铁作为工作磁体; 但在实际应用中, 为实现对悬浮状态的有效调节与控制, 获得足够大的悬浮力, 工作磁体大多由线圈绕制而成。根据绕制线圈所选用的材料的不同, 可将磁悬浮分为常导磁悬浮和超导磁悬浮两大类。随着科学技术的迅猛发展，新技术革命将把人类由工业化社会推进到信息化革命。对于信息来说，都有一个检测、转换、存贮和加工的过程，以检测、转换为主要过程内容的测试技术，己形成一门专门的技术学科。人们通过测试获得客观事物的定量概念， 以掌握其运动规律。在某种意义上来说，“没有测试，就没有科学。”广泛的说，人类的各种活动领域中都离不开测试。测试包含着测量和试验两大内容。测量就是把被测系统中的某种信息，如运动物体的位移、速度、加速度检测出来，并加以度量;试验就是通过某种人为的方法，把被测系统所在的许多信息中的某本科毕业设计（论文）种信息，用专门的装置，人为地把它激发出来，加以测量。现代工业技术及科学研究中，测试手段十分重要，涉及面很广，在各种测量中，大量的参量很难用直接测量的方法获得，需要将它们的变化转换成另外某些参量的变化，然后对转换后的参量进行测量。随着微电子技术、半导体超大集成器件的发展，特别是微型电子计算机技术的成熟，极大的推进了测试技术的进步，对电量的测量已经达到比较完美的程度。由于它的高精确度、高灵敏度、高响应速度， 以及低功耗、结构小、可以连续测量、自动控制和可以方便地与计算机接口等特点，使之达到了用机械方法和一般光学方法测量时很难达到的水平，致使电测法(把被测的非电量变换成电量后，再加以测量)在动、静态测量中得到了广泛的应用。参考文献：1. 吴兰，磁悬浮与光电反馈式静电悬浮综述，光学仪器, 1999, 21(3) : 28 312. 延秀珍，传感器的现状与发展趋势，中国矿业大学，1994，（3）：563.孟立凡，郑宾 传感器原理及技术，北京：兵器工业出版社，2000： 66694.唐富荣, 薛大同 六轴加速度计的结构原理及阻尼振动设计J , 传感器技术, 2002;12 (4)17215.李宝清，陆德仁，王渭源 微型静电悬浮Z向加速度计的计算机模拟，中国科学院上海冶金研究所传感器技术国家实验室，1996，2 （3）：12146徐泰然(tai-Ran Hsu) MEMS和微系统-设计和制造,机械工业出版社,2004 :2843027. 4.唐富荣, 薛大同 静电悬浮式三轴加速度传感器的初步设计J , 传感器技术, 2001; 20 (7)8王新杰，章海军，光电反馈式静电悬浮及静电力机制研究，光学技术，2000，26 （4）：3693719. 康华光,电子技术基础模拟部分,高等教育出版社,2003:33533610静电悬浮的机理及静电悬浮力的实验研究，浙江大学硕士学位论文，浙江大学出版社：182311. 周浩敏，韩颖，刘广玉.硅微传感器中微弱信号的相关检测, 北京航空航天大学学报，1999,25（1）：1921本科毕业设计（论文）12.吴兰, 黄峰 光电反馈式静电悬浮与静电悬浮力测定， 光子学报, 1999, 28 (8) : 692 69513. 傅元良 , 微小电容检测技术的研究,北京理工大学硕士学位论文,北京理工大学出版社:1314. H. Zhang, F. Huang, T. H iguch i. Dual U nit STM 2A FM fo r L ength M easurement Based on Reference Scales. J. V ac. Sci. Techno l. B, 1997, 15 (4) : 780 78415.Jayaw ant B J. Elect romagnet ic L evitat ion and Suspension Techniques. London,U K: E. A rno ld, 1981: 1015本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和你采用的研究手段（途径）：针对太空的微重力水平，经过研究现有的静电悬浮加速度计的结构，悬浮机理及其反馈系统和接口检测电路，设计提出一种基于微机电系统（MEMS）的新设计方案，从理论角度对其检测电路及其反馈系统进行论述。设计方法和示意图：设计单元电路的方法和步骤：选择总体方案设计单元电路画出总体电路图初稿计算参数审图组装调试选择元器件画正式的总体电路图本科毕业设计（论文）1根据设计要求和以选定的总体方案的原理框图，确定对各单元电路的设计要求，必要时应详细拟订主要单元电路的性能指标。应注意各单元电路之间的相互配合，但是要尽量少用或者不用电平转换之类的接口电路，以简化电路结构，降低成本。2确定出各单元电路的要求以后，应全面检查一遍，确定无误以后方可按一定顺序分别设计电路。3选择单元电路的结构形式。一般情况下，应查阅有关资料，以丰富知识，开阔眼界，从而找到合用的电路。如确定找不到性能指标完全满足要求的电路时，也可选用于设计要求相接近的电路，然后调整电路参数。本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1 对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：指导教师： 年 月 日本科毕业设计（论文）所在专业审查意见：负责人： 年 月 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院(系 ): 学生姓名： 学号： 题目： 静电悬浮电容式惯性测试组合设计 指导教师评语： 该同学在毕业设计期间，认真系统的学习了与设计题目相关的基本知识，态 度认真，踏实肯干，能 够独立查阅 所学要的文献，基本能够独立开展科学研究，对静电悬浮电容式惯性测试组合进行了理论设计和分析，在一定程度上反映了该生具有比较扎实的专业理论基础，基本完成毕业设计任务书所要求的内容。具有一定的创新性。论文撰写格式规范，符合我校教务处下发的论文撰写格式要求。条理清楚，圆满完成了毕业设计。建议成绩为良。同意参加毕业答辩。指导教师(签字) ：20*年 6 月 16 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院(系 ): 学生姓名： 学号： 题目： 静电悬浮电容式惯性测试组合设计 评阅人评语：【填写说明】：1要求在学生答辩前完成，请评阅人将评语内容直接打印在本栏目内（用 4号仿宋体，A 4 纸型），或者亲笔填写,要求字迹工整.禁止打印在其它纸上后剪贴在此处。2评语填写内容：1）论文选题的价值与意义； 2）创新性评价；3）工作量大小； 4）写作的规范化程度；5）存在的问题； 6）建议成绩评定；7）是否可以提交答辩。评阅人(签字) ：职称(或学历):年 月 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院(系 ): 学生姓名： 学号： 题目： 静电悬浮电容式惯性测试组合设计 综合成绩： 答辩委员会评语：【填写说明】：1本栏目由答辩委员会（小组）根据学生的论文水平、答辩情况以及各成员投票的综合结果填写，并给出成 绩。2可直接打印在本栏目内（用 4 号仿宋体， A4 纸型），也可手写.禁止打印在其它纸上后剪贴在此处。答辩委员会负责人(签字)： 年 月 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院 (系 ): 学生姓名： 学号 ： 题目： 静 电 悬 浮 电 容 式 惯 性 测 试 组 合 设 计 指导教师评语：指导教师(签字) ：年 月 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院 (系 ): 学生姓名： 学号 ： 题目： 静 电 悬 浮 电 容 式 惯 性 测 试 组 合 设 计 评阅人评语：评阅人(签字) ：职称(或学历):年 月 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院 (系 ): 学生姓名： 学号 ： 题目： 静 电 悬 浮 电 容 式 惯 性 测 试 组 合 设 计 综合成绩： 答辩委员会评语：答辩委员会负责人(签字)： 年 月 日本科毕业设计（论文）摘 要静电悬浮加速度计为当前国际上精度最高的一类加速度计。本文提出了一种静电悬浮式三轴加速度计的初步设计方案。主要研究了以下三个方面的内容：（1）电容式传感器的工作原理；（2）简要讨论静电悬浮的原理、装置及其光电反馈控制过程.并且通过实验测定了不同静电电压和不同悬浮间距时的静电悬浮力，揭示了它们之间的相互关系，证明了静电悬浮的可行性；（3）讨论悬浮体的运动姿态以及微小位移的光电检测法。关键词： 静电悬浮、静电力、电容式加速度计、悬浮体本科毕业设计（论文）AbstractElectro-statically suspended accelerometer is a kind of an accelerometer with highest precision in the world. This article is putting forward the first step design project of electrostatic suspend type three axis accelerometer. And it mainly studies three contents：The first is the mechanism of capacitance sensor. The second is briefly discussing the theory, the equipment and the controlling process of photo electricity feedback of electrostatic suspension， and is also measured the electrostatic suspend forces acting on the objects with different voltage and different spaces between electrode and suspend body through experiment， and opening out the correlation between them， and proving the feasibility of electrostatic suspension. The third is discussing the sport carriage of suspend body and the method of photo electricity detection of minuteness displacement. Keywords: Electrostatic suspension， Electrostatic force， Electric capacity type acceleration account，suspend body 本科毕业设计（论文）目录0引言 .11绪论 .21.1研究课题题目 .21.2研究课题的目的和意义 .21.3传感器的现状和发展趋势 .32静电悬浮式三轴加速度计的初步设计 .72.1微机械加速度计的发展 .72.2 电容式传感器的基本工作原理 .7 2.3静电悬浮加速度计的结构设计 .82.4检测原理 .92.5位移电容的检测原理 .102.6加速度的检测原理 .113 悬浮技术.123.1悬浮技术的应用 .123.2 现有悬浮技术的局限性及静电悬浮的新发展.123.3静电力引起的静力学现象 .143.4 静电悬浮的理论分析.153.5 静电悬浮力的理论计算方法.163.6 静电悬浮实验的可行性分析.184静电悬浮的实验研究 .204.1 静电悬浮机理.204.2 静电悬浮电极板的设计.214.3 悬浮体的设计.224.4 实验.234.5实验装置 .244.6 铝片和 CD片的静电悬浮力测定.254.7 实验结论.265 悬浮体的姿态分析及悬浮间距的检测.28本科毕业设计（论文）5.1 悬浮体的姿态分析.285.2 悬浮间距的检测研究.285.3 光电位置敏感元件 PSD的工作原理.295.4 激光三角法测距原理.305.5 光电检测探头的设计.31参考文献.33致谢.35英文资料翻译英文资料原文本科毕业设计（论文）0 引言传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵” 。目前，信息传输与处理技术已经取得突破性进展。然而传感器的发展相对滞后。在今天的信息时代，各种控制系统自动化程度，复杂性以及环境适应性（如高温、高速、野外、地下、高空等）要求越来越高，需要获取的信息量越来越多，它不仅对传感器测量精度、响应速度、可靠性提出了很高的要求，而且需求信号远距离传输。显然，传统的传感器已经很难满足要求，发展集成化、微型化、智能化、网络化的传感器将成为传感器技术的主流和方向 1。在科学技术和现代工业的许多特殊领域，需要对精密元器件进行非接触无损操作,以避免对元器件的摩擦损伤和表面污染,如用于集成电路加工的半导体硅基(Wafer)、光电技术中的液晶显示片(LCD)、多媒体光盘(CD)等。解决这些问题的最佳方法是采用悬浮技术。现有的悬浮技术以气垫悬浮和磁悬浮为主,其中气垫悬浮技术已成功应用于气垫船等交通工具,具有速度快、驱动力强、水陆两用等优点，所存在的问题是噪声大、破坏力强、气垫所造成的飞扬尘土和纸屑还容易环境造成污染。磁悬浮技术分别以德国的常规导体(常导)磁悬浮和日本的超导磁悬浮为代表，它们的最成功应用是高速磁悬浮列车,其实验时速已达到 550 公里。磁悬浮技术的特点是悬浮力大和驱动力强,对环境无破坏作用,但其工作原理决定了它仅适用于磁性体的悬浮,无法实现硅 Wafer等绝大多数非磁性体的悬浮操作。因此, 为广泛实现磁性体与非磁性体、导体与非导体的悬浮操作,还需要寻求新的悬浮方法静电悬浮技术 12 .我的课题就是一种静电悬浮电容式惯性测试组合设计，它实际上是通过测量电容的变化来检测加速度的。静电悬浮加速度计的特点是灵敏度高、量程小、频带窄。因此, 静电悬浮加速度计适合测量慢变的微弱加速度, 这一特点在空间微加速度测量上具有不可替代的明显优势, 从而受到国际宇航界的重视。本科毕业设计（论文）1 绪论1.1 研究课题题目我的研究题目是：静电悬浮电容惯性测试组合设计，是通过测量电容的变化来检测加速度的。近十余年来微机械电容式力平衡加速度计研究成为热点,发展迅速,已经有大批量生产的例子。而且光电反馈式静电悬浮技术也是一门较新的技术，内容设计光、机、电等多方面的技术，如光电位置检测、微进给机构设计、PID控制技术、直流电压放大技术等等。电容式利用处理电路将敏感质量块对加速度的响应造成的相对于零平衡位置的位移,转化成与之成线性(或者近似线性)比例的电压信号,既作为与加速度成线性相关的输出电压,又作为反馈电压再施加到加速度计的差分电容上产生静电力,使敏感质量块趋向返回平衡位置。为实现这种闭环工作的模式,在差分电容的两支电容上要预先加上直流偏置电压。它的独特之处在于应用了静电悬浮的原理以及电容 C与变压 U之间的相互关系。电容式传感器的结构简单、体积小、分辨率高、本身发热小，十分适合于非接触测量，所涉及到的学科主要有传感器技术、静电悬浮技术、PID 控制技术、牛顿力学以及反馈、放大电路的设计。要实现稳定的静电悬浮必须采用伺服控制环节来实时调整静电场。所以静电悬浮的光电反馈控制策略也是我们研究的重点和难点。一个典型的控制系统是由被控对象、自动调节器、检测元件、变送器和执行机构调节阀等基本环节组成。目前，微加速度计的重要方向是追求更高的精度和成品率。加速度计的高精度就意味着高分辨率，高分辨率则意味着高的灵敏度，这里我们采用PID反馈控制即比例、积分、微分控制；利用三路激光测距探头，对悬浮目标的悬浮姿态进行实时监控，并对其非线性进行了硬件校正，从而减小非线性带来的测量和控制误差。1.2 研究课题的目的和意义随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System)技术的发展,微加速度计制作技术越来越成熟,国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。微加速度计与通常的加速度计相比,具有很多优点:体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域,具有广阔的应用前景。常见的微加速度计按敏感原理的不同可本科毕业设计（论文）以分为:压阻式、压电式、隧道效应式、电容式以及热敏式等 3。静电悬浮式加速度传感器是通过测量电容的变化来检测加速度的。其突出优点是测量精度高,缺点是容易发生高压击穿,因而不能承受较大的加速度输入。但它对于独特的空间微重力环境测量具有较大优势,因此在国际宇航界有关实验室得到相当发展。目前,利用此类加速度传感器,国外已经研制成功的高精度静电悬浮式加速度计系统有:美国研制的 MACEK及 MESA加速度计系统、欧空局(ESA)研制的ASTRE加速度计系统、法国 ONERA研制的 STAR加速度计系统及 GIADIO加速度计系统等。这些加速度计系统已在研究大气阻力、太阳辐射压力、地球漫反射、电子推进器推力测量、高空地球重力场精密测量、空间重力梯度测量等军用和民用领域发挥了重要作用。对于此类高灵敏、高精度加速度传感器的研制我国尚处于起步阶段。下表列出了法国 ON ERA研制的静电悬浮加速度计系列 4。表 1 法国 ON ERA研制的静电悬浮加速度计系列1.3 传感器的现状与发展趋势传感技术作为一种应用技术，涉及各种学科及技术，必将在现代建设中发挥重要作用，近年来各工业发达国家对于开发研究传感器不仅思想上重视，而且在人力、组织投资上都给以高度重视，已将其列为新技术革命的核心技术之一。传感器是把非电量转换成电量的测量装置。在人的实践中广泛接触各种参量。这些参量大致可氛围电参量和非电参量，而非电参量又是和人们密切相关的。要得到各种非电量，一个重要的方法是将它们转换成电量，通过电的方法进行测量和控制，这就要依靠传感器拾取有关信息，加以处理后可以推测自然状态。计算机与传感器结合，使计算机应用范围大大扩展，传感器功能也有了很大提高。但目前传感器技术与计算机发展水平不相适应，因而不能使计算机充分发本科毕业设计（论文）挥效益。因此，在将计算机置于重要地位的同时，也应将传感器技术置于相应的地位。否则，将形成大脑发达五官迟钝的局面。1.3.1 传感器的类型1 结构型传感器大多数结构型传感器是通过机构部分的位移或力将外界被测量参量转换成相应的电阻、电容等变化，从而测出信息。这是目前应用量最多的传感器。今后对这种传感器的研究重点将逐步转向化学生物传感器，其大量工作将放在研究可靠性和稳定性等问题上，并使之商品化，广泛应用于各领域。2 物性型传感器物性型传感器是利用某些材料本身的物性变化来实现参数的直接检测、转换的。这类传感器以半导体、电介质、磁性体等作为传感器的固态器件，它具有无可动部件、灵敏度高、重量轻、体积小、便于集成等优点。因此，可减少对被测对象的影响，提高响应度，能解决常规结构型传感器不能解决的某些问题，从而扩大了传感器的应用领域。当前物性型传感器有压力传感器、温度传感器、霍尔传感器、磁阻传感器、CCD 图象传感器和多功能。3 智能型传感器这是一种带有微处理的兼有检测和信息处理功能的传感器，也是进一步将信息检测和处理以及传感器的驱动等外围电路全部集成在一块单片上的传感器。智能型传感器是目前传感器发展的最高级阶段。这种传感器不仅可测量各种物理量、化学和生物参量，而且能将测量结果存储在存储器中，根据需要进行各种数据处理。此外，它还具有控制诊断功能和远程调节功能。日本正在研制多功能三维传感器，它在半导体硅片上立体集成，具有传感、逻辑、存储等功能。这种新型网膜结构可作为标准结构，用在机器人视觉传感器中。目前发展最快的是集成传感器，下面介绍一些较新型的集成传感器。 压力集成传感器美国密执大学研制的医用集成压力传感器，其扩散应变电阻，恒流电阻，反馈放大器都制作在 1.2mm2芯片上。膜片厚 10m，测量压力 026.6kPa，精度为1%。 温度集成传感器本科毕业设计（论文）温度集成传感器有电流，电压，频率型等，这类传感器的稳定性，线性，精度都好，使用范围一般在-55700。目前美国得克萨斯仪器公司正在研制可达到 500掺磷的砷化镓集成电路温度传感器。磁敏集成传感器这类传感器目前有双集性霍尔集成传感器，磁阻式集成传感器和 MOSFET霍尔集成传感器。光敏集成传感器自 1970年美国发明了 CCD器件以来，至今以有 MOS、CCD、CPD 等固态射像器件。它们都有寿命长、重量轻、机械强度高、电源电压低等优点。气敏集成传感器最近日本松下公司研制出一种在硅集成电路基片上形成的超微粒气敏感膜。此气敏感膜用 P扩散层作为加热电阻，可产生 100以上高温，对异丁烷气体敏感。此外，还有二极管 PN结测量温度，因此是气体温度多功能集成传感器 3。1.3.2 传感器的发展趋势传感器的精度是评价传感器的一个重要指标。早在 50年代传感器的精度就普遍受到重视，但当时水平较低。以应变式传感器为例，它的精度一般不高于10%。1978 年以后，因采用电子器件对传感器进行误差补偿和自较，将精度提高到 0.1%0.04%。展望未来传感器的发展趋势是：在要求高精度和高可靠性场合，结构型传感器仍将被较多的开发和应用。在开发新材料的基础上预计物性型传感器将有较大的发展，其中半导体传感器和固态陶瓷传感器将会有较多的实用化产品问世。由于从点测量向面测量，形测量等多维测量发展，要求传感器具有不接触性，并具有微机处理器的信号处理能力，因此必须开放智能型传感器系统。微电子技术包括激光器件，光学纤维，光电传感元件光学薄膜，集成光路技术。由于它们具有安全可靠，反应速度快，抗干扰能力强等优点，引起了人们的广泛重视。现在光纤传感器正在渗透到工业过程测量控制领域里来。人们认为，光电子传感器将成为最先进的信号传感器。电讯号将向光信号转移，从而提高性本科毕业设计（论文）能，扩大应用范围。自 1977年美国斯坦福大学首先利用微加工技术制作了一种开环微加速度计以来,国内外开发出了各种结构和原理的加速度计,国外一些公司已经实现了部分类型微加速度计的产品化,例如美国公司 1993年就开始批量化生产基于平面工艺的电容式微加速度计。相比之下国内的相关研究还存在很多问题,有很多共性难题没有解决。(1)微结构的振动质量比较小,产生的输出信号非常微弱,基本上与机械噪声以及电噪声同数量级,因此弱电量检测以及噪声抑制成为提高加速度计性能的难题；(2)微结构的迟滞和温漂是影响微加速度计精度的重要因素,如何改善结构减小迟滞效应,采取措施降低温漂的影响,是微加速度计实用化的重要课题；(3)微加速度计存在明显的横向干扰,如何采用合理的结构实现结构在各方向解耦,并且通过合理布置检测单元,实现对横向干扰的抑制,也是研究的重要内容；同时微机电系统技术的进步和工艺水平的提高,也给微加速度计的发展带来了新的机遇。通过了解国内外微加速度计的研究动态,分析其研究特点,总结出微加速度计以下几点发展趋势:(1)高分辨率和大量程的微硅加速度计成为研究的重点。由于惯性质量块比较小,所以用来测量加速度和角速度的惯性力也相应比较小,系统的灵敏度相对较低,这样开发出高灵敏度的加速度计显得尤为重要。无论是民用还是军事用途,精度高、量程大的微加速度计将会大大拓宽其运用范围。(2)温漂小、迟滞效应小成为新的性能目标,选择合适的材料,采用合理的结构,以及应用新的低成本温度补偿环节,能够大幅度提高微加速度计的精度。(3)多轴加速度计的开发成为新的方向。已经有文献报道开发出三轴微硅加速度计,但是其性能离实用还有一段距离,多轴加速度计的解耦是结构设计中的难点。(4)将微加速度计表头和信号处理电路集成在单片基体上,也能够减小信号传输损耗,降低电路噪声,抑制电路寄生电容的干扰。(5)选择合理的工艺手段,降低制作成本,为微加速度计批量化生产提供工艺路线;同时,标准化微机电系统工艺,为微加速度计投片生产提供一套利于操作、重复性好的工艺方法,也是微硅加速度计发展的重要方向 1 。本科毕业设计（论文）2 静电悬浮式三轴加速度计的初步设计2.1 微机械加速度计的发展国外对微机械电加速度计的研究方面，主要有四种类型：压阻式、电容式、压电式和隧道式。早在 1979年 Roylance 和 Angell就开始了微机电压阻式加速度计的研制，所采用的工艺主要为 KOH腐蚀体硅工艺，单悬臂梁+质量块结构，其技术指标为：满量程范围为200g，偏轴灵敏度为 ，压阻效应的温度系数为-%100.20.3%/（即灵敏度对温度的变化值） ，谐振频率为 2330Hz。随后各种结构的压阻式加速度计相继出现，并且增加了自检功能和集成 CMOS电路，测量方向也从单轴逐渐向多轴集成测量发展。现在商业化的压阻式加速度计主要用于军用点火装置、航空航天中的飞行导航、作战时撞弹药和点火控制、飞行动力测量、弹药运输振动监控、安全系统位移检测、机器人过程控制、汽车力学研究、汽车停车控制、汽车刹车控制、汽车碰撞测试、前侧撞气囊系统、冲撞检测仪器、工业震动仪器、机床监控、地球物理检监测、运动控制、计算机外围设备、医院病人的活动监控，其测量范围从1g 到1000g，精度从 0.1%到 2%。电容式加速度计的研制最早可见于 Cole（1991） ，采用扭转差分电容结构，表面微机电加工工艺，采用分立检测电路，陶瓷封装，该种结构的器件已商业化，生产厂家有：WA，Issaquah 的 Silicon Desings, Inc、Ford Microelectronics Inc. 商业器件带有分立接口集成电路（IC） ，用来提供正比于加速度的脉冲输出。集成电路中含有调制器，解调器，测量板间电容变化的放大器以及 A/D变换器与时钟发生器。整个结构采用 20个管脚的无引线片载体（LCC）封装，总体积为 。该结构中敏感部分的加工方法主要有硅外延生长和浅硼扩散，m8.29.后一种方法可以得到了航海级（g 的灵敏度）加速度计。国外加速度计最成功的例子是美国 AD公司的 ADXL-50系列力平衡电容式加速度计，该器件量程为50g，采用 TO-100IC标准 IC封装。包含一个有微机电多晶硅悬浮梳状结构与完整的片上双极 MOS信号调节电路，质量块移动的距离不超过 。该种传感器针nm10本科毕业设计（论文）对汽车气囊设计，并已获得大量应用。2.2 电容式传感器的基本工作原理电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容是由两个平行的金属极板组成，并且以空气为介质。两平行极板组成的电容量为： dcA式中 电容极板间介质的介电常数，= r 0 0真空中的介电常数； r介质材料的相对介电常数；（空气的 r=1）A两平行极板对应的面积；d两平行极板间的间距；C电容量。当被测参数使的 A、d 或 发生变化时，电容量 C也随着变化。因此，电容量变化的大小随着被测参数的大小而变化。在实际的使用中，电容式传感器分为三类：变间距式，变面积式和变介电常数式。改变平行极板间距 d的传感器可以测量微米数量级的位移，而变化面积 A的传感器则适用于测量厘米数量级的位移，变介电常数式电容式传感器适用于液面、厚度的测量 3。从静电悬浮式加速度计的工作原理出发，针对航天、航空中的微重力水平，下面提出一种在三维空间（X、Y、Z）内的高灵敏度的静电悬浮式加速度计的初步设计。2.3 静电悬浮加速度计的结构设计具有三轴检测功能的静电悬浮加速度计敏感探头的结构图如图 2.1所示，它主要由一个悬浮体（中心检测质量）和周围六个电容板上的若干对电极组成。悬浮体的结构可以根据自己设计的需要任意选择，这里设计的结构如图所示，悬浮体的材料一般选用介电常数比较大的绝缘材料加工而成，其表面镀以 Au；电容极板材料选用热膨胀系数比较低的材料加工而成，并在其内表面镀以导电金属薄膜Au，采用热膨胀系数比较低的材料是为了减小因环境温度的变化而带来的加速度噪声 5 。表 2.1列出了几种材料的特性以供设计时作为参考。本科毕业设计（论文）表 2.1 几种常见材料的特性比较特性 铜 银 金 铝 钛玻璃 熔融石英密度（g/cm 3）8.93 10.49 19.32 2.7 1.84熔点（） 1085 962 1064 660 1713热膨胀系数（/）2.110-5 1.310-5 0.810-5 3.310-5 5.510-7 （5） 延展性 良好 好 好 较好 差图 2.2 静电悬浮加速度计敏感探头的结构图2.4 检测原理静电悬浮加速度计在地面上工作时，垂直与地面方向（设为 X方向）悬浮体受到 1gn的重力加速度作用，因此必须给悬浮体特殊施加一个足够大的反方向的静电力，以使其实现静电悬浮（静电力和重力平衡） 。该静电力是通过测量悬浮体与上下电极板之间的电容变化，并通过专用的伺服电路放大后，给上下极板施加一个反馈电压得到的。当 Y、Z 方向存在一个外界的加速度时，悬浮体将偏离其水平方向（Y、Z 方向）的中心位置，造成悬浮体与相应方向的电极板之间的电容变本科毕业设计（论文）化。通过差分电容检测电路检测到这个电容的变化，经电容电压转换、解调、伺服放大后，给该方向的电极施加相应的反馈电压，利用静电力使悬浮体达到新的平衡位置，反馈电压的大小正好反映了外界在该方向上所施加的加速度的大小。检测的原理框图如图 2.2所示 6。如果该静电悬浮式加速度计工作在航天器上时，由于在太空中没有重力加速度 gn的作用，那么 X方向的检测就和 Y、Z 方向上的检测原理一样了。图 2.3 静电悬浮加速度计检测原理图2.5 位移电容的检测原理电容式加速度计具有测量精度高、温度效应低等的优点。微机械电容式加速度计的敏感部分通常为差分电容结构，利用差分电容的变化来反映被测加速度信号的方向及大小。受结构微型化影响，加速度计的结构电容非常小，一般仅为几个 pF左右，其差分电容变化量则更小。静电悬浮加速度计的敏感头结构是一个对加速度敏感的差分电容式结构，如图 2.1所示 4。图 2.3 电容式加速度计敏感头结构图中 1和 2为固定电极，3 为敏感质量块构成的动电极，该电极可在加速度作用下在平衡位置附近上下振动。如图 2.3所示，电极 1和悬浮体 3构成可变电容 C1，电极 2和悬浮体 3构成可变电容 C2。当悬浮质量块受加速度作用上下移动时，电容 C1、C 2的电容量发生相应的变化，差分电容C= C1- C2也随着变化，显本科毕业设计（论文）然，加速度越大，悬浮体 3偏离平衡位置越大，C 也越大，并且C 的正负性与质量块的移动方向有关。根据图 2.3所示，设悬浮体 3在加速度作用下偏离平衡位置d，则固定电极 1和悬浮体 3的间距为 d-d，固定电极 2和悬浮体 3的间距为 d+d, C 为：（2-1）)1(021 ddSC对于微机械电容式传感器而言，由于芯片尺寸通常在毫米量级，动，定极板间的间距在微米量级，因此电容 C1和 C2的大小仅为 pF量级左右。考虑到电容变化的线性度要求，通常限定质量块的位移dd，由（2-1）式可简化得：（2-2）20dSC显然，由dd 可知。C 的变化量非常小，它的值一般比 C1和 C2小一个数量级以上。因此，相应的接口电路对小电容必须有足够的敏感能力。2.6 加速度的检测原理当悬浮体因外界加速度的输入而发生位移时，就会引起电容的变化，进而由控制电路产生反馈施力电压 Uf，两电极的电压由原来的定值偏置电压 Us分别变为Us+Uf和 Us-Uf，从而对悬浮体产生静电力的作用。（2-3）)()(2122ddSFfsf式中， 为真空介点常数；S 为电极板面积；d 为悬浮体与上极板之间的距离；d 为悬浮体的微小位移；U s为偏置电压；U f=AC 为反馈施力电压；A 为检测电路增益。当检测电路增益足够高时，上式可以简化为：（2-4）fsdSF2根据力平衡条件 F=ma(m为悬浮体的质量；a 为外界输入的加速度)，可以得到加速度与检测到的反馈电压的关系：（2-5）fsUmdSa2由以上的分析、计算我们发现，两敏感被测测物体是悬浮在两个电极板之间的，所以我们在设计静电悬浮加速度计之前，首先，应该明白静电悬浮的应用和机理，本科毕业设计（论文）悬浮体的制作、加工工艺以及不同材料的悬浮体与静电力之间的关系。所以，下面就先介绍以上所提到的问题，并通过实验证明静电悬浮的可行性。3 悬浮技术3.1 悬浮技术的应用在现代工业与科学技术的发展中，对某些特定目标的悬浮操作具有十分重要的意义。在液晶片(LCD)、光盘(CD)及大规模硅基(Wafer)集成芯片等的加工制作过程中，如何防止这些精密元器件的接触污染是一个十分突出的问题。半导体芯片在生产线上的定位与传输通常都是由机械手来完成的。这种物理上的接触操作不仅容易污染芯片，而且芯片与机械手之间的摩擦容易使芯片带上电荷，严重的甚至可能毁坏内部电路。可见，在大规模集成芯片等的加工制作过程中实现非接触式的无损操作是一个迫切需要解决的问题。除此之外，悬浮技术在其他许多方面都具有重要的实用价值。例如，它可以应用到航空、航天、导弹等的导航系统上，使导航系统中的关键精密部件(如导航陀螺）处于非接触的悬浮状态，从而极大地提高系统的控制精度。采用悬浮技术还可以制作“无摩擦轴承”，即可以大大提高加工精度，同时也节省能源。在空间材料科学的研究方面，悬浮技术也显得非常重要。对材料样品的非接触定位控制减少了样品污染的可能性，另外也防止了由于物理上的接触造成的样品形变。悬浮技术的另一个成功应用例证是磁悬浮列车，采用超导磁体的磁悬浮列车已成为现实，法国、日本等国家的高速磁悬浮列车速时可达550km,而且具有噪音低、环境污染少、转弯半径小、爬坡能力强、选线自由度大、安全舒适及节能等优点。如果在真空的封闭环境中运行，时速可高达1600km。总之，悬浮技术的应用领域十分广泛，应用前景方兴未艾 6。3.2 现有悬浮技术的局限性及静电悬浮的新发展现有的传统悬浮技术有:磁悬浮、超声波悬浮、气动悬浮、光学悬浮、射频悬浮、电悬浮和超导悬浮，他们各有其特定的优点，己经在一些特殊场合得到应用，但每一种悬浮技术均存在不同程度的局限性。例如，磁悬浮的工作原理决定了它本科毕业设计（论文）不能对非磁性材料进行直接悬浮操作;超声波悬浮需要产生高频的受迫振动，可能对