电容式加速度传感器课程设计1003030304

1、随着科学技术的不断发展, 自动化智能化一步一步走入人们生活中的每一个 角落。然而自动化与智能化的实现无疑离不开传感器。传感器这个大家族之中, 电容式传感器又占有举足轻重的位置。电容器传感器的优点是结构简单 , 价格便 宜,灵敏度高,零磁滞,真空兼容,过载能力强,动态响应特性好和对高温、辐 射、 强振等恶劣条件的适应性强等。 缺点是输出有非线性, 寄生电容和分布电容 对灵敏度和测量精度的影响较大, 以及联接电路较复杂等。 本课程设计设计了一 种基于 MEMS 的电容式测量加速度的传感器。基于微机电系统 ( MEMS 技术的微机械加速度传感器具有体积小、质量 轻、 启动快、 功耗低、 易集成、 可

2、靠性好、 抗过载能力强和成本低廉等诸多优点, 在航空航天、 汽车技术机器人技术、 工业自动化、 掌上电子产品等诸多领域得到 了广泛的应用。 根据其敏感信号方式, 可以分为微型电容式速度传感器、 微型压 阻式加速度传感器、 微型压电式加速度、 感器和微型隧道电流式加速度传感器等。关键词:电容 加速度 传感器 信号放大 微电子机械系统第一章 绪论 ·····················&

3、#183;·························3 1.1 课题研究的相关背景·····················

4、3;········3 1.2 选题的目的和意义 ·······························4 1.3 课题研究的内容······

5、····························5 1.4 国内外研究现状····················

6、;··············5 1.5 传感器目前存在的主要问题························5 第二章 结构设计 ·······

7、···································6 2.1 微机械电容式加速度计的结构设计原则···········&

8、#183;·6 2.2 微机械电容式加速度计的三种常见结构·············6 2.3 电容式加速度传感器设计方法选择与优化···········7 2.4 电容加速度传感器结构梁的设计·············

9、······10 2.5微机械电容式加速度传感器的设计参数··············14 2.6传感器工作原理及数据计算·······················&

10、#183;16 2.7微机械加工工艺·································17第三章 测控电路 ············&

11、#183;····························18 3.1转换电路···················

12、83;···················18 3.2正弦波产生电路····························&#

13、183;····193.3仪用放大器······································20 3.4相敏检波电路···

14、3;································21 3.5滤波电路················

15、························22 第四章 技术指标 ························

16、··················234.1壳体固定要求······························&

17、#183;·····23 4.2滑块与壳体接触面的光滑度要求····················23 4.3测控电路的要求··················

18、3;···············23第五章传感器适用范围 ································

19、83;····23 5.1影响适用范围的因素······························23 5.2加设重力加速度传感器 ··········&

20、#183;·················23 第六章 总结与展望 ······························

21、··········24 6.1数据关系······································&#

22、183;·24 6.2与书本上面的测加速度传感器对比··················24第七章 总结与展望 ·························

23、;···············24 7.1总结·································

24、83;··········24 7.2展望······································&

25、#183;·····24参考文献 ···········································

26、······25附录 1···········································

27、········26附录 2·········································

28、··········27附录 3·······································

29、············28第一章 绪论1.1 课题研究的相关背景传感器是一种应用非常广泛的设备, 在各种自动控制过程中, 它能迅速客观 地反映出实际情况。电容式传感器有很多,但原理相同。平行板电容器的电容 C 跟介电常数 成正比跟正对面积成反比根极间的距离 d 成反比有:C=S/4kd式 中 k 为静电力常量。通过改变介质,极板距离,极板正对面积,这三个参数之一 使传感器的电容发生变化, 再通过电荷放大器, 将电容变化或电量变化转换成容 易用电路处理电压或电流量。 这就是电

30、容式传感器的特点, 通过上面的原理可以做成很 多传感器, 比如测长度的, 测角度, 测空气粉尘, 空气湿度, 还有声音, 振动等, 精度很高, 比如测振动的精度可以达到零零几个微米。 但是测长度的线性度不好, 需要通过电路矫正, 还有容易受到电路中的寄生电容的影响, 所以电路设计的时 候要很注意。把被测的机械量, 如位移、 压力等转换为电容量变化的传感器。 它的敏感部 分就是具有可变参数的电容器。 其最常用的形式是由两个平行电极组成、 极间以 空气为介质的电容器。 若忽略边缘效应平板电容器的电容为 A/, 式中 为极间 介质的介电常数, A 为两电极互相覆盖的有效面积 ,为两电极之间的距离。

31、、 A 、 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化,并可用于测量。因此电容 式传感器可分为极距变化型、 面积变化型、 介质变化型三类。 极距变化型一般用 来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化 (见电容式压力传 感器 。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线移。介质变化型常用于物位 测量和各种介质的温度、 密度、 湿度的测定。 70年代末以来 , 随着集成电路技术 的发展 , 出现了与微型测量表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能 使分布电容的影大为减小, 使其固有的缺点得到克服。 电容式传感器是一种用途 极广很有发展潜力的传感器。 测量物体相对于大地或惯性空间的运动

32、,通常采 用惯性式传感器。 惯性式传感器种类很多, 用途广泛。 加速度传感器的类型有压 阻式、 压电式和电容式等多种, 其中电容式加速度传感器具有测量精度高, 输出 稳定, 温度漂移小等优点。 而电容式加速度传感器实际上是变介电常数电容式位 移传感器配接“ m-c ”系统构成的。其测量原理是利用惯性质量块在外加速度的 作用下与被检测电极间的空隙发生改变从而引起等效电容的变化来测定加速度 的。本课程设计利用惯性原理, 加速的变化使滑块动作, 从而带动介子移动。 使 电容的介电常数发生改变, 通过测量这个介电常数的变化进一步反映加速的大小 以及方向。微机电系统(MEMS, Micro-Electr

33、o-Mechanic System是一种先进的制造 技术平台。它是以半导体制造技术为基础发展起来的。 MEMS 技术采用了半导体 技术中的光刻、 腐蚀、 薄膜等一系列的现有技术和材料, 对半导体材料进行微米 或者毫米级别的加工。随着硅微加工的迅速发展, 各种器件开始出现, 加速度传感器就是其中一种 运用比较成功、范围较广的器件。它和其它种种 MEMS 器件一样,具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高等特点,而且因为其加工工艺一定程度上与 传统的集成电路工艺兼容, 易于实现数字化、 智能化以及批量生产, 因而从问世 起就引起广泛关注, 并且在汽车安全气囊、 心脏起搏器、 地震检测等方面得到

34、了 广泛应用。1.2 选题的目的和意义课程设计是本专业教学实践环节的主要内容之一, 是学习专业技术课所需的 必要教学环节。 通过课程设计的教学实践, 使我们所学的基础理论和专业知识得 到巩固, 并使我们得到运用所学理论知识解决实际问题初步训练; 课程设计的我 们应接触和了解实际局部设计,从收集资料、方案比 较、计算、绘图的全过程, 进步提高我们析、 综合能力以及工程设计中计算和绘图的基本能力, 为今后 的毕业做好准备。通过这次课程设计 , 掌握传感器的工作原理 , 了解简单多功能传感器组成原 理, 初步掌握多功能传感器的调整及测试方法, 提高动手能力和排除故障的能力。 同时通过本课题设计与装配

35、、 调试, 提高自己的动手能力, 巩固已学的理论知识, 建立传感器的理论和实践的结合, 了解多功能传感器各单元电路之间的关系及相 互影响,从而能正确设计、计算各个单元电路。1.3 课题研究的内容本系统采用模块化设计传感器, 在实际生活中广泛应用。 电容式传感器是将 被测量的变化转换为电容量的变化, 实质上就是一个具有可变参数的电容器。 利 用滑块的移动量转变为极板间距的变化, 从而导致电容值的变化。 通过测控电路 的放大、整流和 A/D转换,然后利用单片机把加速的显示出来。1.4 国内外研究现状传感器作为一种电子产品, 早已广泛应用于各种实际场合, 但目前所使用的 传感器有的电路较复杂不便于制

36、作 , 可靠性低,实现起来很困难;有的则用一些 专用的集成块 ,而专用集成块的购买又很困难。为适应更多的实际生活需要而设 计一个多功能传感器,这种传感器具有电路简单,元件普通 ,易于购买等优点 , 很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。 在国内外已经开始了普遍的应 用。1.5 传感器目前存在的主要问题随着改革开放事业的不断深入, 促使人们学科学、 学技术、 学知识的手段多 种多样, 传感器作为一种工具, 已广泛应用于各种实际生活中。 但传感器器的使 用频率校高,且有的要么制作复杂,要么可靠性低,减少兴致。作为一个单位若 专购一个传感器虽然在经济上可以承受, 但每年使用的次数极多, 往往因

37、长期使 用使 (电子器件的 传感器损坏, 再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。 但 目前多数传感器存在 2个不足之处:输出具有非线性;寄生电容的影响往往降低传感器的灵敏度。第二章 结构设计基于电容变化的原理来对加速度进行检测的微机械电容式加速度计具有制 作工艺简单、温度系数小、稳定性好、阻尼系数容易控制等优点,因而得到了广 泛的应用。电容式加速度传感器的基本参数如固有频率,非线性度,分辨率、量 程、 稳定性等首先取决于其本身结构。 因此, 对其进行结构设计研究具有重要的 理论意义及应用价值。2.1 微机械电容式加速度计的结构设计原则微机械电容式加速度计结构的设计要综合考虑各项性能以达到最佳

38、的整体 性能。 考虑硅材料的固有材料特性和微加速度计的实际功能, 在硅微结构的设计 过程中, 除了应满足具有较好的强度、 易于加工和线性原则外, 还应考虑一下一 些原则:(1 同向性原则:当硅微结构受到各方向冲击作用时, 只有某一个或某几个 方向最为敏感, 其余方向则是迟钝的。 同向性原则可以保证被传感信息的有效性 和无干扰性。(2 灵敏性设计原则:灵敏性设计是指在硅微结构空间中, 微纳米量级的位 移能反映加速度的变化。并能有效地用相关的电物理量(如电容量测定出来。 即有着较好的灵敏度。2.2 微机械电容式加速度计的三种常见结构微机械电容式加速度计主要有三种结构, 即三明治摆式加速度计结构、

39、跷跷 板摆式加速度计和梳齿式微加速度计。(1 三明治摆式电容加速度计三明治摆式电容加速度计又称为悬臂梁式硅微机械加速度计(Cantilever Beam Micromachined Silicon Accelerometer, CMSA ,是一种夹层结构的微机 械加速度计,因动极板被夹在固定极板中间形似三明治(Sandwich 而得名。该 结构相对比较简单, 电容可动极板由中间的敏感质量硅摆片的上下两面用电镀的 方法制成, 与相对应的固定极板组成一组差动电容来敏感输入加速度的大小。 当 质量块受到加速度激励上下运动时, 电容极板间距随之变化, 差动电容大小发生 改变, 理论推导可知差动电容的大

40、小和加速度在质量块位移较小的情况下成近似 线性比例关系。 但是该结构需要在敏感质量块上进行双面光刻, 要求工艺设备较 多,工艺难度较大。如果排除加工难度的因素,这种结构式较理想的,可作出精 度较高、封闭性较好的加速度计。在这方面的研究上,美国 Litton 公司、德国 Litef 公司、瑞士 Neuchatel 大学以及日本日立公司和东北大学均采用体加工法,分别研制成功该结构 g 级的高精度微机械加速度计,表头为玻璃硅玻璃或硅硅硅三明治结构。 (2 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 加 速 度 计 (Pendulous Microma

41、chined Silicon Accelerometer , PMSA ,因敏感质量绕着弹性梁扭转形 似跷跷板而得名。 其典型代表是美国 Draper 实验室于 1990年研制的微机械加速 度计, 其敏感质量与下面的玻璃基片之间形成差动检测电容。 由于质量片分别位 于承扭梁两边的质量和惯性矩不相等,所以当存在垂直于质量片的加速度输入 时,质量片将绕着支撑梁旋转,从而使相应的一对差动电容一个增大一个减小, 测量差动电容值既可得到沿敏感轴输入的加速度。 它的检测电路与 ADXL50类似。 摆片与基片之间形成差动电容由 100kHz 载波信号激励,输出的电压经过放大和 相敏解调后作为反馈信号加给力矩

42、器电容极板, 产生静电力, 使得极板间的转角 回到零位附近。加在力矩器电容极板上的平衡电压和被测加速度成线性关系。 (3 梳齿式电容加速度计梳 齿 式 硅 微 机 械 加 速 度 计 (Finger-shaped Micromachined Silicon Accelerometer ,简写为 FMSA 因活动电极形似梳齿而得名,又称叉指式电容加 速度计, 是微加速度计的一种典型结构。 梳齿式微加速度计是梳齿式微加速度计 具有灵敏度高、 温度稳定性好、 结构相对简单、 功耗比较低、 直流特性好等特点, 但是容易受到电磁干扰。 该类型的加速度计可以通过把若干极板面积较小的电容 并连起来形成相对较

43、大的电容以提高分辨率, 而且可以制作反馈结构实现闭环控 制, 利于精度的提高。 此外, 此类型微加速度计的制作方法基本上与大规模集成 电路的工艺技术相互兼容。 综上便利条件, 目前梳齿式微加速度计研究较多并已 经得到了成功的应用。2.3 电容式加速度传感器设计方法选择与优化一种梳齿式微加速度计的活动敏感质量元件是一个为 H 形的双侧数尺结构, 相对于固定活动敏感质量元件的基片悬空并与基片平行,与两端挠性梁结构相 连,并通过立柱固定于基片上。每个梳齿由中央质量杆(齿枢向其两侧伸出可 以运动,称为动齿(动指 ,构成可变电容的一个活动电极,直接固定在基片上的为定齿(定指 ,构成可变电容的一个固定电极

44、,定齿动齿交错配置形成差动 电容。利用数尺结构,主要是为了增大了重叠部分的面积,获得更大的电容。按 照定齿的配置可分为定齿均匀配置梳齿电容加速度计和定齿偏置结构的梳齿电 容加速度计; 而按照加工方式的不同又可分为表面加工梳齿电容加速度计和体硅 加工梳齿电容加速度计; 再者可按照控制方式的不同分为开环控制加速度计和闭 环控制加速度计。下面结合上述一些分类及特点,利用实例做一些典型分析。2.3.1 表面加工和体硅加工定齿均匀配置梳齿式电容加速度传感器表面加工定齿均配置梳齿式电容加速度计的典型结构如图 2.1所示, 每组定 齿由型齿和两个 L 型齿组合而成, 每个动齿与一个型定齿和一个 L 型定齿交

45、 错等距离配置形成差动结构。 该方案的主要优点是可以节省管芯版面尺寸, 这对 于表面加工的微机械传感器是适当的。 但由于表面加工得到的梳齿式结构测量电 容偏小, 影响了梳齿式微机械传感器分辨率和精度的进一步提高。 为了提高微机 械传感器的分辨率和精度, 一般采用体硅加工方法加工得到定齿偏置结构的梳齿 电容加速度计。 图 2.1 表面加工定齿均匀配置梳齿式电容加速度计的结构示意图2.3.2 体硅加工定齿偏置结构梳齿式微机械电容加速度计定齿偏置配置梳齿式电容加速度计的典型结构如图 2.2所示、 与表面加工的 定齿均置的结构有所不同, 定齿为单侧梳齿式结构; 以敏感质量的纵向对称轴为 界, 左右两侧

46、结构对称。 上下相对的定齿是电连通的, 左侧定齿的电极性与右侧 定齿的电极性相反。 敏感质量元件的每一个动齿与相邻的两个定齿的每个梳齿交 错配置, 整个结构形成以梳齿为中点左右对称, 总体形成差动电容。 每一个动齿 与两侧相邻的定齿之间的间距分别为 0d 和 0D , 0D 和 0d 比值大于 5:1以上,主要敏感距离小的一侧形成的电容量, 可忽略距离大的一侧的电容量。 形成的电容 共分为两组:差动检测电容和差动加力电容。 图 2.2 定齿偏置配置梳齿式电容加速度计的结构示意图两侧的形定齿 1S 、 2S 为左右对称的检测齿,构成检测电极,分别与动齿形成 2s n 对差动检测电容, 如图 2.

47、3所示。 L 型定齿 1F 、 2F 为左右对称的加力齿,构成加力电极,与动齿形成 2f n 对差动加力电容。所有动齿定齿共同等效为 1对差动检测电容 1s C 与 2s C 和一对差动加力电容 1f C 与 2f C 。 图 2.3 差动电容简化示意图2.3.3 体硅加工定齿偏置结构的优点由上述叙述, 综合起来考虑, 定齿偏置结构在版面利用和加工工艺上有很多 长处,明显优于定齿均置结构。下面表 2.1是两种结构的比较。表 2.1 定齿均置与偏置结构的比较 2.4 电容加速度传感器结构梁的设计结构梁在微机械加速度计的设计中是十分关键的一个部分, 其参数与仪表的 分辨率、量程、横向灵敏度等指标均

48、有密切关系,称为微结构设计的重点之一。 微机械电容式加速度计常用的梁结构主要有悬臂梁、双端固定梁、 L 形梁、鱼钩 梁、蛇形梁及斜置梁等。2.4.1 各式微结构梁采取何种形式的梁以及多大尺寸的梁, 是需要进行优化选择和设计的。 其设 计首先要在达到目标刚度的前提下, 应使梁的长度最小, 厚度最大, 从而具有较 高的强度;第二要满足同向性原则,即需要结构梁在敏感方向具有较软的刚度, 而除了敏感方向外其它方向上的刚度最大, 交叉了灵敏度要尽量减小, 从而具有 较强的抗干扰能力, 减小其它方向对敏感信号的干扰。 最后, 需要二阶及二阶以 上模态频率远远大于检测模态的频率值。常见微结构梁的结构示意图如

49、图 2.4所示。 图中自左向右、从上到下分别是(a 悬臂梁、 (b 双端固支梁、 (c 折叠 梁、 (d L 型梁 1、 (e L 型梁 2、 (f 鱼钩梁、 (g 蛇形梁、 (h 斜置梁。当各 种微结构梁参数基本相同的情况下, 比较几种微梁结构, 同时考虑强度和制造工 艺等条件,我们可以得出各种梁结构的自身特点。具体见表 2.2 。表 2.2 常见微结构梁性能特点比较 通过比较我们看出, 折叠梁的综合性能较好。 折叠梁还具有结构简单, 自身 具有应力释放作用, 能抵抗加工过程及其它热变化引起的膨胀变形, 刚度、 模态 频率易调节等很多优点。并且另外一个原因是折叠梁结构在很大的变形范围内, 位

50、移与作用力都保持线性关系。当折叠梁内外两臂长不同时,在应力作用下梁易弯曲。在保证梁刚度不变的 情况下, 把两臂不等长的折叠梁变为等臂长的折叠梁, 可以减小整个折叠梁尺寸。 2.4.2 折叠梁刚度计算在比较选择了折叠梁作为设计选取方案, 我们有必要对梁的刚度有一定的认 识。 我们不妨用折叠梁和双端固定梁作比, 进一步定量的分析我们选择折叠梁的 好处。(1双端固定梁刚度的计算双端固定梁的微结构示意图在前文已表述。 由对称性可知, 只需要分析一侧 的梁就可以了。 图 2.5即为敏感质量一侧梁的受力分析示意图。 设 AB 梁长为 2l , 宽为 b ,厚为 h ,中心点 C 受力为 P 。由于梁 AB

51、 受力情况关于 C 点对称,所以 之需要分析 AC 就可以了, AC 段的受力分析如图 2.6所示。 图 2.5 双端固定梁的一侧受力示意图 图 2.6 AC段受力分析和相应力矩图由力学知识可以解得, AC 段梁各截面的弯矩与沿 X 轴方向的变形为:2231( ,211( (4111( (212A A A M X M PX X M X PX EJ X M X PX EJ =-=-=- (2-2其中, J 对 Z 轴的惯性矩:3/12J b h =由边界条件及点变形条件 (00, 0C =解得:2111(0( 0, , 44A A M l Pl M EJ Pl=-= 1124C A M M Pl

52、 Pl =-=-2331111( ( 21224A X M X PX PX EJ EJ=-= (2-3 即 C 点位移为:31( 24Pl X EJ EJ= (2-4所以双端固支梁 (单侧 Y 方向的刚度为:324EJk l = (2-5 由于结构对称, 双端固支梁相当于两个单侧 Y 方向的刚度的并联, 由此可以求得检测方向(Y 方向的等效刚度为:3482Y EJK k l =(2-6 (2 折叠梁检测方向的刚度采用等臂长的折叠梁结构,敏感质量两端各由尺寸大小一样的折叠梁支撑,取其中一端,受力分析如图 2.7所示。 图 2.7 (a (b 分别是等臂长的折叠梁结构和受力分析示意图采用等臂长的折

53、叠梁结构,敏感质量两端各由尺寸大小一样的折叠梁支撑, 取其中一端,受力分析见图 2.11 。设梁长 ' ' ' ' , , AB CD l A B C D l =宽为 b , 厚为 h 。折叠部分 ' AA 和 ' DD 影响。由式(2-6可知,双端固支梁 AD 和 ' ' A D 的 刚度为:此时,折叠梁相当于两个双端固定直梁 AD 和 ' ' A D 的串联。所以折叠梁检测方向(Y 方向的刚度为:(2-8由图 2.7可以看出, 该加速度计结构相当于两个折叠梁的并联, 所以可以求得折叠梁 Y 方向的等效总刚度为:

54、(2-9由此可见,相同情况下,折叠梁与双端固支梁在检测方向的刚度之比为 1:2 。所以折叠梁性能优于双端固支梁。通过上述分析, 电容式加速度传感器的结构设计选取体硅加工工艺, 选择折 叠梁作为承载梁,实现闭环控制,设计出定齿偏置加速度计。2.5微机械电容式加速度传感器的设计参数在微机械电容式加速度传感器中, 采用一个惯性质量块为敏感检测质量, 检测电容的一个极板制作在惯性质量块上有加速度作用时惯性质量块会沿检测敏 感方向运动, 从而改变质量块上可动极板与衬底上固定极板之间的容值, 通过对' ' ' ' 33333121212AD A D Y AD A D k k

55、 EJ E b h Eb h K k k l l l =+' ' 324AD A D EJk k l=333242m Y EJ Eb hk K l l=该电容值的测量即可得到加速度的值 这种结的传感器受环境影响较大,检测信 号容易被干扰噪声淹没,难满足高灵敏度和高精度要求 因此在工程实际应用中 一般用差动结构 (图 2.8 差动测量的两部分受到的干扰噪声号基本一致,可以通 过差分计算有效提高传感器的信噪比。 图 2.8 (a 动极板示意图 (b 差动式结构示意图偏置式电容加速度传感器结构示意图如图 2.8所示,水平方向为敏感方向。 梳状电容极板当水平方向有加速度, 质量块由于惯

56、性力作用, 向水平方向有位移, 从而改变极板间距 d ,从设计结构可知,梳状电容器左右上下形成差分式电容。 微机械加速度传感器可化为质量弹簧阻尼系统, 由牛顿第二定律可知等下力 学模型为:( ( (22a t kx dt t dx c dtt x d m t ma F += (2-10 Fa为外部加速度引起的冲击力。 查阅相关资料可设计: 质量块的质量 -7101.838m =kg , 弹性弹簧梁 k=101N/m, 质量块长度 M L =1500m 宽度 m 650=M W U 型梁长度 =U L 600m 宽度 m 10=U W U 型梁圆弧部分半径 m 35=U R 梳齿极板长度 m 5

57、00=S L , 重合部分长度 m 450=L宽度 m 8=S W 厚度均为 H=80m 检测动梳齿总数 n=48, 初始间距 0d =4.5m 。2.6传感器工作原理及数据计算差动式电容可等效为图 2.9形式: A 图 2.9 差动式电容简化极板电路单个可动极板和其对应的固定极板构成的电容为 0000210d HL d SC C C = (2-11敏感方向有加速度作用, 敏感质量块受到一加速度方向相反的作用力, 使质量块偏离原来平衡位置,产生一下段位移 d ,可动极板和固定极板之间的电容 变化为:dd SC +=001 , dd SC -=002 (2-12由于采用差动式静电力作用反馈电路,

58、 d <<0d :202200000021022C d dS d d d S dd Sdd SC C -=-+=-= (2-13 敏感方向的位移 :kmad -= (2-14 由 2-13和 2-14可得:a kd SmC 202= (2-15 空气的相对介电常数 =1,真空的介电常数 01-12m 10845. 8=F , 由设计参数 可计算得出:初始检测电容为pF d HL d S nC C 698. 1200000= 加速度传感器的电容灵敏度为:220137. 0-=s m pF kd Sm n a C S C 加速度传感器的位移灵敏度为:g km a d S d 81078

59、3. 1-=质量弹簧阻尼系统固有频率: z 7. 3732212H=mkf r 极板间最大相对位移为 d=4m ,理论上计算最大测量加速度为:g s m mka 2242198d2max =- 所以理论测量范围为 0224g。 (g=9.812-s m 2.7微机械加工工艺微电容式加速度微传感器工艺技术是基于 MEMS 技术, 它符合 MEMS 的标准 工艺。 在此选用一种为加速度传感器作为分析模型, 该电容式加速度传感器是由 质量块、硅膜片极板、悬梁、衬底、衬底电极和绝缘层构成。微加速度传感器采 用硅 -玻璃键合技术,核心工艺是芯片与玻璃衬底之间的键合技术和深反应离子 刻蚀 ( DRIE 技

60、术。键合技术的目的是将不同材料、表面结构和功能特性的圆片 键合到一起, 得到需要的结构。 该设计采用阳极静电键合技术将硅晶片粘合到玻 璃衬底上, 其密封性较好且成本较低。 深反应离子刻蚀是一种特殊的反应离子刻 蚀技术,它可以加工侧壁陡直的高深宽比结构。 DRIE 具有刻蚀速度快、侧壁陡 直、 可在常温下刻蚀的特点, 根据其掩膜形状可以非常容易地推断最终得到的三 维刻蚀结构。传感器的加工工艺流程如下 :( 1 选取厚度为 150 m 单晶硅片进行热氧化,得到 1. 5 2 m 的二 氧化硅保护层。 硅片一面涂光刻胶进行保护, 另一面涂光刻胶进行光刻, 得到微 机械加速度传感器的悬浮运动区域和结构

61、悬起固定支撑区域。采用图 6( g 掩 模板。( 2 清除硅片表面的 SiO2,采用浓硼扩散工艺对硅片进行掺杂,使结构能与电极形成良好的欧姆接触, 提高传感器性能。 由于扩散浓度和范围主要受扩散 持续时间和扩散温度的影响,因此需要严格控制扩散时间和温度。淀积温度约 750 ,驱入温度约为 1 250 .( 3 制备玻璃片,溅射金属电极层。考虑到后续的键合工艺,采用派莱克 司 7740 号 ( Pyrex 7740# 玻璃。 在玻璃片正面溅射一层铝 ( Al , 厚度约 1 m .( 4 在玻璃片上金属电极一面涂覆光刻胶,进行光刻,利用浓磷酸溶液腐 蚀表面溅射的铝, 得到电极引线。 玻璃片与硅片

62、采用硅 -玻璃阳极对准高温键 合工艺进行键合,温度为 300 ,键合电压为 1 kV. 由于键合是在高温下进 行的, 若键合材料热膨胀系数相差较大, 在冷却时会产生热失配, 产生较大的应 力, 甚至导致破碎。 派莱克司 7740( Py-rex 7740# 号玻璃与硅片在 300 左 右时膨胀系数十分接近,因此可以使其残余应力较小。( 5 用 有 机 类 腐 蚀 剂 EPW 系 统 ( 乙 二 胺 、 邻 苯 二 酚 和 水 , Ethylene-diamine , Pyrocatechol & Water,或称 EDP 湿法腐蚀工艺对硅片 进行腐蚀,将硅片减薄到 80 m . 氢氧化

63、钾 ( KOH 、氢氧化钠 ( NaOH 、氢 氧化锂 LiOH 等金属碱性氢氧化物腐蚀剂中含有的金属离子会对硅片造成污染。 EPW 腐蚀则不会。第三章 测控电路传感器出来的信号要经过放大电路,滤波电路,调制解调电路经 AD 转换, 输入到单片机显示。系统总的框图如图 3.1所示:图 3.1 测控系统总体框图3.1转换电路 微电容式传感器的固有频率为 f=3727Hz,供电电源频率必须低于这一频率, 一般为其 1/31/2,传感器才能正常工作。将电容传感器接入交流电桥的桥臂,其 中两个桥臂是耦合电感, 具有较高的灵敏度和稳定性, 且寄生电容影响极小, 大 大简化了电桥的屏蔽和接地, 适合于高频

64、电源下工作。 而且变压器式电桥使用原 件比较少,桥内阻最小,因此目前较多采用。电路图如下:图 3.2 变压器式电桥3.2正弦波产生电路稳幅文氏振荡器是用运算放大器做放大元件的 RC 串并联选频网络正弦波振 荡器,电路如图 3.3所示。由于放大器的输出电阻很低, 反馈信号加入运算放大的同相输入端, 所以输 入电阻很高, 这样同相放大器的增益 KF=1+ R8/Rf, 仅与外部电阻 R8和 Rf 有关, 而与放大器本身参数无关, 因此增益的精度和稳定性都很高。 在实际应用中, 常 选 RC 串 -并联电路的 R1=R2=R, C1=C2=C, 所以在 f=1/2RC这个频率上, RC 移相网络相位

65、移为零,而 R82Rf ,满足振荡条件。选 R=240k, C=330pF,则 得到振荡频率为: kHz RC f 2103301024014. 32121123=-图 3.3稳幅文氏振荡器为实现自动稳幅的目的,在运算放大器输入端加上由 R 8、 R 4和场效应管 VT 组成可控负反馈电路。对场效应管要求工作在线性电阻区,只有在 U DS 较小时, 它的 R DS 差不多随栅源电压 V GS 线性变化,宛如一只良好的压控线性电阻,阻值可 调范围约为 400100M ,当幅值较大时, RDS 应自动增大以加强负反馈,这 个作用由整流二极 D1,滤波电路 R 7、 R 6、 C 5及场效应管 VT

66、 组成。当幅值较小时, C5上的电压 V C5逐渐减小,导致 R DS 下降,所以电路将自动在 VT 的其一栅源电压 下稳定下来,输出幅值稳定的正弦波电压。调节 R 6可改变输出电压的大小,一 般将输出电压调节在 35V 之间。 3.3 仪用放大器在许多检测技术应用场合,传感器输出信号往往较弱,而且其中还包括工 频、 静电和电磁耦合等共模干扰, 对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的 共模抑制能力以及高增益、 低噪声和高输入阻抗, 习惯上称为仪用放大器, 如图 3.5所示。 图 3.5 仪用放大器电路图仪用放大器从电路结构可知, 这是一种同相并联差动放大器, 其对称性结构 使整个放大器具有很

67、高的共模抑制能力, 特别是适用于长距离测量。 其数学模型 为: (1(2102153O O O U U R R R R R U -+= (3-1令电路参数对称 R=R3=R5=R4=R6=16k , 即 R1=R2=40k。 带入 (16整理得:所以增益为: 012i 1i 21K R R U U U O +=-= (3-2 这种电路特点是性能稳定, 其漂移将大大减少, 具有高输入阻抗和高共模抑 制比, 对微小的差模电压很敏感, 并适用于远距离传输过来的信号, 因而十分适 用与传感器配合使用。显然,为保证电路的对称性,改变增益最合理、最简单的 方法是改变 RG 的阻值。3.4相敏检波电路当被测

68、量经过变压器式电桥变换后, 将微弱的交流信号送入仪用放大器进行 放大, 为了恢复原来被测量缓慢信号, 采用相敏检波器将交流的幅度变化转换成 正比于传感器电容 C 的直流电平。 其相敏检波电路如图 3.6所示。 其工作过程 如下,当输入电压 V i 为正半周期时, U 4反相, D2截至, D1导通, U 4输出为零,R 11 =R12=20k , U 5的电压放大倍数为 R 10 /R9=-1,则输出信号为:V o =V1。当输入电压 V i 为负半周期时,经 A 4反相, D2导通, D1截至,经 R 10 , U4输出为 -V i ,选择合适的电阻 R 11 、 R 11使 R 11 =2

69、R11经过 R 11 过来的电压叠加后输出信号 V 0为: Vo =V1。 图 3.6相敏检波电路图3.5滤波电路通过相敏检波出来的信号需要滤波后才能得到有用信号。 采用压控电压源型 低通滤波电路。电源频率为 f=2kHz,可设截止频率为 fp=10kHz, Q=0.707。由此 可设计 图 3.7低通滤波电路图R13=R14=1.6K,C4=C5=0.01F,R16=5K,R17=3K。则带宽为 010Hz 。这样把它检波后的脉动直流信号中高次谐波滤掉,采 用有源低通滤波器的优点是较小的电容得到良好的滤波效果。 滤波器输出后的电压信号经过 AD574模数转换片与单片机 80C52连接, 这样

70、就可以完成对被测对象 的检测和控制。第四章 电容式加速度传感器的技术要求4.1壳体固定要求整个壳体需要固定在被测运动物体之上,壳体与被测物体不能有相对运动,或 者说不能有相对加速度。如果壳体与被测运动物体没有结合在一起,之间有相对加速度,则测量出来的 加速的包含了一个与这个相对加速度方向相反的加速度。 导致测量误差。 措施:把壳体用螺钉栓在被测体之上。4.2滑块与壳体接触面的光滑度要求本加速度传感器主要是利用滑块的惯性运动,经传感显示出加速度。如果滑块 与壳体接触面光滑度不够, 则必然不能很好的显示出加速度的变化情况。 对于 这里,有两点减少误差的措施: 接触面尽量光滑。 从硬件上加大加工减少摩擦,使这个影响变小。 在结果采取补偿。 尽管, 我们可以把接触面做的很光滑, 但是摩擦还是不可 避免的。 这是硬件方面无法避免的, 但是我们可以通过计算, 把摩擦影响在测量 结果加上一个数值,使其影响变小。因为最大静摩擦的存在,被测物体仅仅只有加速度是不能使滑块发生运动,也 就不能使传感器感受到加速度。 这样, 只有当加速度上升到某个值的时候, 传感 器才开始有显示, 这时候实验结果的补偿也才可以实施。 我这里记这个加速度为 a0,所以加大光滑度,减少摩擦尽量使这