微机电系统技术基础课件8.ppt

1、微机械传感器,3. 压力频率特性 谐振梁的压力频率特性是基于2端固支的梁在轴向拉力作用下的微幅振动方程求解得到的。,式中的l, ,E, 分别代表硅梁的长度、厚度、弹性模量及密度。,微机械传感器,4. 传感器开环特性测试 1）概述 硅梁的固有频率、相位、幅值及Q值均应由开环特性测试来确定，以便于传感器的闭环设计。 2）检测过程 在激励电阻上加载交变电压Vaccoswt和直流偏压Vdc，则电阻上产生的激励功率为：,微机械传感器,2）检测过程 续 常值热分量会使硅梁产生恒定的温度差分布场，并导致硅梁的固有频率发生漂移； 交变动热分量会使硅梁产生一个交变的温度应力，当其频率与硅梁的固有频率相同时，硅梁

2、会发生谐振，实现热-机变换，硅梁周期性形变，由检测电阻桥路检出，又实现了机-电变换。,微机械传感器,5. 传感器闭环自激系统设计 1. 实现自激振荡的工作原理： 1）正弦振荡原理 2）锁相-压控振荡器原理 考虑到微传感器信号微弱的特点，选用锁相-压控振荡器原理设计。,微机械传感器,2. 自激振荡的锁相-分频技术 1）闭环自激振荡图,微机械传感器,锁相环技术（补充） 锁相环是基于相干检测原理设计而成的 它由鉴相器（PD)、环路低通滤波器（LPF)及电压控制振荡器（VCO)组成,PD,LPE,VCO,Vi(t),Vd(t),Vc(t),Vo(t),Vo(t),微机械传感器,2）闭环自激振荡图说明

3、自激振荡图采用了锁相分频技术，即在设计的基本锁相环的反馈支路中接入一个倍频器，实现分频。 在相位比较器中进行比较的2个信号频率是2i和N0（N=2)，这样压控振荡器输出的频率0就等于谐振梁的固有频率i，该固有频率受被测压力调制。,微机械传感器,6. 硅谐振式压力微传感器的性能优势 1）直接输出频率量，无需A/D转换 2）为闭环工作，其性能主要取决于谐振子的机械性质，受电路参数变化影响很小。 3）测量精度、稳定性及测量分辨率均优于硅压阻和硅电容式压力传感器1个数量级。,缺点：与硅压阻和硅电容式压力传感器相比，硅谐振梁式压力传感器的结构比较复杂，加工难度较大。,微机械传感器,微机械传感器,5.3

4、硅谐振式加速度微传感器 5.3.1 概述 硅压阻效应、压电效应及电容效应的硅加速度微传感器，对于微米和亚微米级的加速度检测，很难达到足够高的分辨率和灵敏度。目前，主要利用硅谐振梁式加速度传感器才能达到要求。 硅加速度传感器在导航、微重力、声及地震测量等领域应用广泛。,微机械传感器,5.3.2电阻热激励、电阻检测硅谐振式加速度微传感器 质量弹簧系统的硅谐振梁式加速度传感器的工作原理： 被测加速度转换为载荷，作用于悬挂在硅谐振梁上的敏感质量，导致硅梁产生拉伸或压缩应变，使硅梁的谐振频率发生变化。谐振频率的变化量与被测加速度成比例，由此便得知被测加速度。,5.3.2.1 传感器微结构 1.下图为一种

5、硅悬臂梁式加速度微传感器,微机械传感器,2. 上图说明 塔型敏感质量m悬挂在与其中心轴线平行且对称的2根支撑梁的一端，2根支撑梁的另一端固定在框架上。在两根支撑梁中间再平行制作一根用于信号检测的谐振梁，一端与敏感质量相连，另一端固连在框架上。他们一起组成加速度微传感器。,微机械传感器,3.支撑梁和谐振梁的尺寸设计原则 支撑梁比谐振梁短而厚，其长度比和厚度比视悬挂系统要求的谐振频率和灵敏度而定。 支撑梁的尺寸设计，从悬挂系统的刚度和支撑梁的强度考虑；而谐振梁的尺寸，则主要根据在不受加速度作用时，期望获得的基本谐振频率和要求的灵敏度来确定。 为了使谐振梁的谐振频率不受悬挂系统干扰，一般把谐振梁的工

6、作谐振频率设计的比悬挂系统的谐振频率高出几十倍。,微机械传感器,4.谐振梁结构 为了有利于谐振梁品质因数Q的提高，常把谐振梁设计成并行3梁形式，中间梁宽度等于左右相邻2梁的宽度之和。 硅梁的谐振模态选用他们反对称相位的3阶模态。在此模态下，中间梁和两边梁在固定端产生的反力和反力矩因方向相反而相互抵消，使振动能量储存在硅梁内部而不向外泄漏，从而减少能量损耗，这样能提高谐振梁结构的品质因数。,模态如下图示：,微机械传感器,5. 为了检测的结构设计及测量原理 激励硅梁谐振的电阻和敏感硅梁谐振的检测电阻分别制作在中间硅梁的端部。因为谐振时端部应力分布最大。 当沿Z轴方向的加速度作用于敏感质量m上时，敏

7、感质量将沿z轴方向移动，并使支撑梁弯曲，因为谐振梁和支撑梁的厚度不同，导致谐振梁产生拉伸或压缩应变。该应变将改变谐振梁自身的谐振频率，其改变量与被测加速度值成函数关系。,微机械传感器,6. 优化设计 为减小悬臂梁结构对侧向加速度的灵敏度，支撑梁的宽度远比其厚度大得多，但为了更好的避免对侧向加速度敏感，在对称敏感质量的中心轴设置2根支撑梁。,微机械传感器,5.3.2.2 开环特性测试和闭环回路设计 1.开环特性测试 对于硅谐振梁的开环特性测试，包括幅频、相频以及机械品质因数等 测试设备 1）谐振式微传感器频率特性测试仪 2）光学分析系统（如Polytec公司的激光测振仪） 3）电网络分析仪,微机

8、械传感器,2. 闭环回路设计 设计的回路框图如下：,微机械传感器,上图说明 1）图中前置放大器用来放大拾振电阻Rs输出的信号 2）第二级放大器用来对信号进行再放大 3）移相器+整流放大模块+可变增益放大器+场效应管，构成闭环控制器（正反馈网络） 4）2个支持模块电路：带直流偏置的激励电路和电桥的供桥电源。,电路图如下图所示：,微机械传感器,微机械传感器,3. 动态特性测试 动态特性指谐振频率和阻尼 动态测试的目的是测出加速度传感器平直的频响特性、谐振频率以及动态灵敏度。 下图为一动态测试方案，包括振动台、动态信号分析仪，以及一些必要的其他控制设备。,微机械传感器,微机械传感器,整个工作过程 1

9、）将被检测的谐振式加速度传感器安装在频率可调且具有一定加速度幅值的振动台上。 2）传感器在一定频率内输出的频谱由动态信号分析仪解析显示，从而可得到传感器的灵敏度与频率的关系，即动态灵敏度,微机械传感器,注意问题 1）传感器的活动敏感质量，夹在上、下玻璃板中间封装成一整体。（封装留有1微米左右的气隙） 2）实现任意方向的加速度解耦（即把横向和纵向的加速度分开）,微机械传感器,5.4 0位平衡式硅电容加速度微传感器 1.0位平衡式加速度传感器 这类加速度传感器，敏感加速度的质量块始终被保持在非常接近0位移的位置。 2.实现原理 0位平衡式加速度传感器是采用反馈原理设计而成的，通过能感受偏离0位的位

10、移并产生一个与此位移成比例且总是阻止质量块偏离0位的力来实现。,微机械传感器,上图说明 a)结构图 1）图中硅电容式加速度传感器部分采用玻璃-硅-玻璃封装结构 2）电容器活动极板的惯性敏感质量由2根悬臂硅梁支撑，并夹在2固定玻璃极板之间，组成一差动平板电容器。,微机械传感器,b) 功能图 1）当有加速度a作用时，活动极板将产生偏离0位的位移，引起电容的变化。 2）产生复位的力。变化的电容由检测电路检测并放大输出，再由脉冲宽度调制器感受产生2个调制信号VE和VE并反馈到电容器的活动和固定电极上，引起一个阻止活动极板偏离0位的静电力,微机械传感器,3. 脉冲调制静电伺服系统框图,微机械传感器,4.

11、 上图说明 此系统中，脉冲宽度正比于加速度a，所以通过脉冲宽度测量加速度。 1）该系统由机械、电子及静电力部分组成传递函数写为：,式中，D为脉冲调制信号VE的占空比；m, ,k分别代表活动电极和悬臂梁的质量、阻尼系数及刚度；Vh代表VE的电压；G代表电路部分的增益；s代表拉氏因子；Ao, ,及d分别代表极板有效面积、空气介电常数及固定极板与活动极板的距离。,微机械传感器,2）占空比D定义为 D=ta/T 这里ta和T分别代表脉冲宽度调制信号VE的宽度和周期。,3）在G很大时，在低频范围内，传递函数可写为下式,由上式可以看出占空比D与施加在传感器上的加速度a成比例,微机械传感器,5.5 硅谐振式

12、角速率微传感器 5.5.1 概述 角速率微传感器又称为微陀螺，是敏感角运动的一种装置。 传统陀螺仪，由数百个零件组成，结构复杂，体积大，使用寿命短（其根据角动量原理） 硅谐振式微陀螺是用微机械加工技术制作而成，体积小，质量轻，功耗低，耐冲击。低精度用于汽车导航、防滑及防碰撞系统，中等精度用于战术导弹，微小卫星等系统。高进度的是未来的目标，但必须满足下面几方面：,微机械传感器,高精度的微陀螺要满足下列要求 1）完全轴对称谐振微结构 2）微结构制造技术的突破 3）微结构应力释放措施 4）高Q值 5）激励和检测技术（静电激励和电容检测） 6）高灵敏检测电路,微机械传感器,5.5.2 谐振陀螺的工作原

13、理 1.谐振陀螺 谐振陀螺是一种单轴角速率陀螺，利用旋转坐标系的哥氏加速度或哥氏力来敏感角运动。 2.谐振陀螺工作原理图,微机械传感器,3. 原理图说明 1）谐振子M悬挂在弹簧和阻尼系统上，弹簧和阻尼的另一端固定在框架上，其振动频率取决于弹簧、质量及阻尼。 2）用激励器驱动振子在X方向等幅谐振，称为主振动，振动频率微w0 3)固定在框架上的旋转坐标系绕Z轴以角频率wz旋转,微机械传感器,哥氏力（科里奥力）：Fc Fc=-2m(z vc) 式中，m和vc分别代表谐振子的质量和线速度。 4）谐振子在y方向产生一个同频率的振动y(t)，称为检测振动或辅振动，幅值与z成比例，相位同z有关,所以检测到y

14、(t)，便可以得到z大小和方向。这是谐振陀螺的理论基础。,微机械传感器,5）谐振陀螺的主要组成部分 谐振子敏感结构，这是微陀螺的核心部分 驱动谐振子做等幅振动的电路 检测角运动的检测电路 6）谐振子结构形式（如下图示）,采用半球壳的谐振子,1,半球谐振陀螺仪（HRG）工作原理图,微机械传感器,对称双音差谐振结构,2,微机械传感器,5.5.3 静电激励、电容检测硅谐振式微陀螺 5.5.3.1 原理结构 本节以梳状谐振轮式硅陀螺为例加以说明 1.梳状谐振轮式硅陀螺原理结构 如下图,微机械传感器,2. 原理说明 1）主振动模态 在直流偏置和交流分量作用下，梳状谐振轮就成为静电梳状驱动器，驱使谐振轮绕

15、z轴在xy平面内做弯曲振荡，称为主振动模态。 2）辅振动模态 谐振结构又被迫绕其敏感轴x转动，导致产生哥氏力。由于扭杆在垂直xy平面内抗弯刚度很高，抗扭刚度很低，所以哥氏力仅使框架结构绕检测轴y做扭转振动，称为辅振动模态。 3. 通过调节弯曲弹性梁和扭杆的刚度，使主辅振动频率达到一致实现高灵敏度的检测。,微机械传感器,3. 结构层图,微机械传感器,4. 结构层图说明 梳状谐振轮式硅陀螺由上下2层组成，2层中间留有1-2微米的间隙。 1）下层是固定的玻璃衬底，上面制有检测电极、闭环反馈电极及输入、输出引线。 2）上层为活动的微机械谐振结构，核心是梳状轮式谐振器，经十字弹性片梁把它支撑在中心轮毂上

16、，轮的外缘再经2根共轴线的片簧扭杆连接在框架上，形成轴对称整体谐振结构。,微机械传感器,5.5.3.2 开环检测 1.主振动模态 1）驱动梳状谐振结构绕z轴在xy平面做弯曲振动的静电力和静电力矩如下：,微机械传感器,2）陀螺主振动方程,转角达到最大为：,微机械传感器,3）转角幅度检测 转角幅度，可通过电容器的电容变化检测出来，以便实现主模态闭环自激振动。8组梳状结构通常4组作为驱动器，另4组则作为电容器，检测主模态的振动幅度。主模态振动引起电容变化为：,微机械传感器,2. 辅振动模态 1）沿y轴扭转振动的动力学方程如下：,微机械传感器,2）最大转角,上式表明，当主模态和检测模态的谐振频率一致时，检测灵敏度为最高，且品质因数愈高，灵敏度愈高。检测模态振动角位移与主模态的振动角位移相同。,3）角频率的测量,由于角振动引起框架极板下的敏感电容变化。根据上式可求得输入角频率与电容变化量的关系,微机械传感器,3）角频率测量 续 在其他参数确定后，检测模态的品质因数Q愈高，陀螺可检测的最小角频率愈小。最小角频率为：,微机械传感器,5.5.3.3 闭环检测 主模态控制技术 考虑因素 1）采用锁相-压控振荡原理设计 2）在驱动控制电路中，必须含有自动增益环节，以确保振幅恒定。,微机械传感器,2.