电容式加速度传感器课程设计

1、摘要随着科学技术的不断发展，自动化和智能化逐步走进人们生活的每个角落。然而，自动化和智能化的实现无疑离不开传感器。在众多传感器中，电容式传感器发挥着重要作用。电容式传感器的优点是结构简单、价格低廉、灵敏度高、零滞后、真空兼容、过载能力强、动态响应特性好、对高温、辐射和强振动等恶劣条件的适应性强。缺点是输出非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度影响很大，连接电路复杂。本课程设计了一种基于微机电系统的电容式加速度传感器。基于微机电系统技术的微机械加速度传感器具有体积小、重量轻、启动快、功耗低、易于集成、可靠性好、抗过载能力强、成本低等优点。它已经广泛应用于许多领域，如航空航天、汽车技术、机器

2、人技术、工业自动化、手持电子产品等。根据其敏感信号模式，可分为微电容式速度传感器、微压阻式加速度传感器、微压电加速度传感器和微隧道电流加速度传感器。关键词：电容式加速度传感器信号放大微机电系统目录第一章导言31.1研究的相关背景31.2主题4的目的和意义1.3研究的内容51.4国内外研究现状51.5传感器目前存在的主要问题5第二章结构设计62.1微机械电容式加速度计的结构设计原则62.2微机械电容式加速度计的三种常见结构62.3电容式加速度传感器设计方法的选择和优化72.4电容式加速度传感器10的结构梁设计2.5微机械电容式加速度传感器的设计参数142.6传感器的工作原理和数据计算162.7微

3、加工过程17第三章测量和控制电路183.1转换电路183.2正弦波发生电路193.3仪表放大器203.4相敏检测电路213.5滤波电路22第四章技术指标234.1固定外壳的要求234.2滑块和外壳之间接触面的光滑度要求234.3测量和控制电路的要求23第五章传感器的应用范围235.1影响适用范围的因素235.2添加重力加速度传感器23第六章总结与展望246.1数据关系246.2与书上加速度传感器的比较24第七章总结与展望247.1概述247.2展望24参考文献25附录126附录227附录328第一章导言1.1研究的相关背景传感器是一种应用广泛的设备，能够快速、客观地反映各种自动控制过程中的实际

4、情况。电容式传感器有很多，但原理是一样的。平行板电容器的电容c与介电常数成正比，与相对面积成反比。两极之间的距离d与下式成反比：C=S/4kd，其中k是静电力常数。通过改变介质、极板距离和极板面对面积，这三个参数之一使传感器的电容发生变化，然后通过电荷放大器，将电容变化或电量变化转化为易耗电量电路处理电压或电流。这是电容式传感器的特点。许多传感器可以通过上述原理制成，如测量长度、角度、空气尘埃、空气湿度、声音、振动等。以高精度为例，测量振动的精度可以达到零和几微米。但是，长度测量的线性度不好，需要通过电路进行校正，并且容易受到电路中寄生电容的影响，所以我们应该重视电路设计。将测量的机械量(如位

5、移和压力)转换成电容变化的传感器。其敏感部分是可变参数电容器。最常见的形式是由两个平行电极组成的电容器，电极之间以空气为介质。如果忽略边缘效应的平板电容器的电容为A/，为电极间介质的介电常数，为两个电极覆盖的有效面积，为两个电极之间的距离。三个参数、A和中的任何一个的变化都会引起电容的变化，这可以用于测量。因此，电容式传感器可以分为三种类型：极距变化、面积变化和介质变化。极距变化通常用于测量由力、压力和振动引起的轻微线性位移或极距变化(参见电容式压力传感器)。面积变化类型通常用于测量角位移或大的线性运动。介质变化通常用于测量各种介质的料位、温度、密度和湿度。自20世纪70年代末以来，随着集成电

6、路技术的发展，出现了用微型仪表封装的电容式传感器。这种新型传感器可以大大减少分布电容的阴影，克服其固有的缺点。电容式传感器是一种应用广泛、发展潜力巨大的传感器。惯性传感器通常用于测量物体相对于地球或惯性空间的运动。惯性传感器种类繁多，应用广泛。加速度传感器有多种类型，如压阻式、压电式和电容式，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。事实上，电容式加速度传感器是由可变介电常数的电容式位移传感器和“M-C”系统组成的。其测量原理是在外加速度的作用下，通过改变惯性质量与被测电极之间的间隙来测量加速度，从而引起等效电容的变化。在本课程设计中，使用了惯性原理，加速变化使滑块移动

7、，从而驱动介子移动。改变电容器的介电常数，并且通过测量介电常数的变化来进一步反映加速度的大小和方向。微机电系统是一种先进的制造技术平台。它是在半导体制造技术基础上发展起来的。微机电系统技术利用半导体技术中的光刻、刻蚀和薄膜等一系列现有技术和材料来加工微米或毫米级的半导体材料。随着硅微加工技术的飞速发展，各种各样的器件开始出现，其中加速度传感器是应用最广泛、最成功的器件之一。与其他微机电系统器件一样，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低和可靠性高等特点。此外，由于其加工技术与传统集成电路技术在一定程度上兼容，易于实现数字化、智能化和大规模生产，因此自问世以来受到广泛关注，并已广泛应用于汽车安全气

8、囊、起搏器、地震检测等领域。1.2主题的目的和意义课程设计是该专业教学实践的主要内容之一，也是学习专业技术课程必不可少的教学环节。通过课程设计的教学实践，巩固了我们所学的基础理论和专业知识，培养了我们用所学的理论知识解决实际问题的能力；在课程设计中，我们应该联系和了解当地的实际设计，从数据采集、方案比较、计算和绘图的全过程，提高我们的分析和综合能力以及工程设计中计算和绘图的基本能力，为将来的毕业做准备。通过本课程设计，我们可以掌握传感器的工作原理，了解简单的多功能传感器的组成原理，初步掌握多功能传感器的调整和测试方法，提高动手能力和排除故障的能力。同时，通过本课题的设计、组装和调试，可以提高我

9、们的动手能力，巩固我们所学的理论知识，建立传感器理论与实践的结合，了解它们之间的关系和相互影响该系统采用模块化设计的传感器，在现实生活中得到广泛应用。电容传感器将测量的变化转换成电容的变化，电容本质上是一个具有可变参数的电容器。滑块的运动转化为极板间距的变化，从而导致电容值的变化。通过测控电路的放大、整流和模数转换，加速度由单片机显示。1.4国内外研究现状传感器作为一种电子产品，已经广泛应用于各种实际场合，但目前使用的传感器有些电路复杂，制造不方便，可靠性低，难以实现。其他人使用一些特殊的集成模块，购买特殊的集成模块非常困难。为了满足更多现实生活的需要，设计了一种多功能传感器，该传感器具有电路

10、简单、元器件通用、易于购买的优点，解决了生产者难以制造和购买的问题。它在国内外得到了广泛的应用。1.5传感器目前存在的主要问题随着改革开放的深入，有各种各样的手段来促进人们学习科学、技术和知识。传感器作为一种工具，已经广泛应用于各种现实生活中。然而，传感器的使用频率高，并且一些传感器或者制造复杂或者可靠性低，这降低了人们的兴趣。作为一个单元，如果传感器是专门购买的，它在经济上是可以负担得起的，但是它每年都被频繁使用，这通常会由于长期使用而损坏(电子设备的)传感器。再购买的麻烦和及时性将影响活动。但是目前，大多数传感器都有两个缺点：(1)输出是非线性的；寄生电容的影响往往会降低传感器的灵敏度。第

11、二章结构设计基于电容变化原理检测加速度的微机械电容式加速度计，具有制造工艺简单、温度系数小、稳定性好、阻尼系数易于控制等优点，因此得到了广泛的应用。电容式加速度传感器的基本参数，如固有频率、非线性、分辨率、量程、稳定性等。首先取决于它自己的结构。因此，研究其结构设计具有重要的理论意义和应用价值。2.1微机械电容式加速度计的结构设计原则为了获得最佳的整体性能，微机械电容式加速度计的结构设计应该综合考虑各种性能。考虑到硅材料固有的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，除了要考虑强度好、易加工和线性的原则外，还应考虑一些原则：(1)各向同性原理：当硅微结构受到不同方向的冲击时，只有

12、一个或几个方向最敏感，而其他方向不敏感。同向原理可以保证被测信息的有效性和不干扰性。(2)灵敏度设计原则：灵敏度设计是指微纳位移能够反映硅微结构空间加速度的变化。并且可以通过相关的电学和物理量(例如电容)来有效地测量。也就是说，它具有更好的灵敏度。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，即夹心摆加速度计结构、跷跷板摆加速度计和梳状微加速度计。(1)夹心摆电容式加速度计夹层摆式电容加速度计，又称悬臂梁硅微机械加速度计(CMSA)，是一种夹层结构的微机械加速度计，以移动板夹在固定板之间而得名。结构相对简单。电容活动板由中间敏感质量硅摆的上下表面电镀而成，一组差动

13、电容与相应的固定板组成，对输入加速度敏感。当质量被加速度激励而上下移动时，电容极板之间的距离会发生变化，差分电容的大小也会发生变化。从理论上可以看出，当质量位移很小时，微分电容的大小和加速度近似成线性比例。然而，这种结构需要在敏感物质上进行双面光刻，这需要更多的处理设备并且难以处理。如果排除加工难度的因素，该结构公式是理想的，可以制成精度更高、密封性能更好的加速度计。在本研究中，美国利顿公司、德国利特夫公司、瑞士纳沙泰尔大学、日本日立公司和东北大学都采用了体加工方法，并成功研制了这种结构水平的高精度微机械加速度计，其头部为玻璃-硅-玻璃或硅-硅-硅夹层结构。(2)跷跷板摆电容式加速度计跷跷板电

14、容式加速度计，也称为摆式微机械硅加速度计(PMSA)，因其敏感质量绕弹性梁扭转，看起来像跷跷板而得名。它的典型代表是1990年由美国德雷珀实验室开发的微机械加速度计，其中在其敏感质量和下面的玻璃衬底之间形成差分检测电容器。由于位于扭力承载梁两侧的质量块的质量和惯性矩不相等，当存在垂直于质量块的加速度输入时，质量块将围绕支撑梁旋转，从而增加和减少一对相应的差动电容器。通过测量差分电容值，可以获得沿敏感轴的加速度输入。其检测电路类似于ADXL50。摆和基片之间形成差动电容由100千赫载波信号激励，输出电压经放大和相敏解调后，作为反馈信号施加到力矩器的电容极板上，产生静电力，使极板间的转角恢复到接近

15、零。施加到变矩器电容板上的平衡电压与测得的加速度呈线性关系。(3)梳状电容加速度计指状硅微机械加速度计(FMSA)是以梳状可动电极命名的，也称为叉指电容式加速度计，是微加速度计的典型结构。梳齿式微加速度计是一种灵敏度高、温度稳定性好、结构相对简单、功耗低、DC特性好的梳齿式微加速度计，但易受电磁干扰。这种类型的加速度计可以通过并联几个极板面积较小的电容形成相对较大的电容来提高分辨率，并且可以制作反馈结构来实现闭环控制，有利于提高精度。此外，这种微加速度计的制作方法与大规模集成电路的工艺技术基本兼容。综上所述，梳齿式微加速度计已经得到了成功的研究和应用。2.3电容式加速度传感器设计方法的选择和优

16、化梳齿式微加速度计的可动敏感质量元件是一个“H”形双面数脚结构，它相对于固定有可动敏感质量元件的基板平行悬挂，两端与柔性梁结构连接，通过立柱固定在基板上。每个梳齿从中心质量杆(齿枢轴)延伸到其两侧并可移动，这被称为移动齿(移动指)，并构成可变电容器的移动电极。直接固定在基板上的固定齿(固定指)构成可变电容器的固定电极，固定齿的动齿交错排列形成差动电容器。使用几个脚的结构的主要目的是增加重叠部分的面积并获得更大的电容。根据固定齿的配置，可分为固定齿均匀配置的梳状电容加速度计和固定齿偏置结构的梳状电容加速度计；根据加工方法的不同，可分为表面加工梳状电容加速度计和体硅加工梳状电容加速度计；此外，根据控制方式的不同，还可以分为开环控制加速度计和闭环控制加速度计。以下是基于上述一些分类和特征的典型分析。2.3.1梳齿电容式加速度传感器均匀布置，用于表面加工和体硅加工梳齿电容式加速度计的典型结构如图2.1所示。每组固定齿由形齿和两个l形齿组成，每个活动齿与一个形固定齿和一个l形固定齿交错等距排列，形成差动结构。该方案的主要优点是可以节省模具布局尺寸，适用于表面加工的微机械传感器。然而，通过表面处理获得的梳齿结构的测量电容太小，影响了梳齿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，