第5章 硅電容式微傳感器課件

1、第5章 硅電容式微傳感器 硅是一種半導(dǎo)體，在元素周期表中處于金屬和非金屬之間。 平板電容器的公式：5.1 典型傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理 目前實(shí)際應(yīng)用的典型硅電容式微傳感器有微型硅加速度計(jì)、硅集成壓力傳感器和CMOS集成電容濕度傳感器。 5.1.1 微型硅加速度計(jì) 微型硅加速度計(jì)是一種新穎的加速度傳感器，它采用硅單晶材料，采用微機(jī)械加工工藝實(shí)現(xiàn)。 其結(jié)構(gòu)主要有梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)以及叉指電容式結(jié)構(gòu)。 梁-質(zhì)量塊式結(jié)構(gòu) 圖5-1 加速度傳感器工作原理圖 叉指式結(jié)構(gòu) 圖5-2微電容加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖 圖5-3 叉指式差分電容式加速度傳感器的工作原理 常見(jiàn)微梁圖5-4 單梁叉指結(jié)構(gòu)圖 圖5-5 雙梁叉指結(jié)構(gòu)圖

2、 圖5-6 四梁叉指結(jié)構(gòu)圖 圖5-7 ADXL系列微機(jī)械電容式加速度傳感器 圖5-8 ADXL05內(nèi)部功能方塊圖及基本接法 表5-1 ADXL05主要性能 5.1.2 硅集成壓力傳感器 電容式壓力傳感器是繼壓阻式壓力傳感器之后，新發(fā)展起來(lái)的一種壓力傳感器，它被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，與壓阻式壓力傳感器相比，具有以下特點(diǎn)：小功率、高阻抗電容傳感器電容量很小，一般為幾十到幾百微微法，因此具有高阻抗輸出；小的靜電引力和良好的動(dòng)態(tài)特性，電容傳感器極板間的靜電引力很小，工作時(shí)需要的作用能量極小，并且它有很小的可動(dòng)質(zhì)量，因而有較高的固有頻率和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；本身發(fā)熱很小，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響可以不計(jì)；可進(jìn)行非

3、接觸測(cè)量。（a）原理圖 （b）結(jié)構(gòu)圖 圖5-9 CP7電容式壓力傳感器原理圖 5.1.3 CMOS集成電容濕度傳感器 電容型濕度傳感器一般有兩類： 直接感濕，即直接將大氣作為電介質(zhì)材料。 間接感濕，即利用其他電介質(zhì)材料吸附大氣中的水汽，從而導(dǎo)致電介質(zhì)材料介電常數(shù)隨空氣濕度變化 濕度傳感器的感濕介質(zhì)和結(jié)構(gòu) 感濕介質(zhì) 常用的濕度傳感器感濕介質(zhì)主要有：多孔硅，聚酰亞胺和空氣。 電容濕度傳感器的結(jié)構(gòu) 電容型濕度傳感器的結(jié)構(gòu)通?？梢苑譃閮煞N：三明治型，如圖5-10（a）、（b）所示；平鋪型，如圖5-10（c）所示。 （a） （b） （c）圖5-10 電容濕度傳感器結(jié)構(gòu) 濕度傳感器實(shí)例 平鋪叉指型 圖5-

4、11 平鋪叉指結(jié)構(gòu) 三明治叉指型結(jié)構(gòu) 圖5-12 三明治叉指結(jié)構(gòu) 5.2 設(shè)計(jì)、建模與仿真 系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面，即微傳感器設(shè)計(jì)與系統(tǒng)電子線路設(shè)計(jì)兩大部分。對(duì)于一個(gè)機(jī)電混合系統(tǒng)來(lái)講，這兩部分的設(shè)計(jì)是密不可分的，任何孤立的單方開(kāi)發(fā)都無(wú)助于整個(gè)系統(tǒng)的最終形成。 5.2.1 硅微加速度傳感器設(shè)計(jì) 柔韌性設(shè)計(jì)原則 強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則 同向性原則 靈敏性設(shè)計(jì)原則 彈性線性設(shè)計(jì)原則 梁-質(zhì)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖5-13梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu) 5.2.2 硅集成壓力傳感器設(shè)計(jì) 圖5-14 硅電容敏感器件結(jié)構(gòu)圖 圓膜撓度計(jì)算5.2.3 等效電學(xué)模型 圖5-15 微機(jī)械加速度傳感器的等效電路 5.3 典型接口電路 幾乎所有用來(lái)測(cè)量電

5、容式傳感器的電路是基于電容差值的測(cè)量方法，這是因?yàn)楸粶y(cè)量的電容值通常是在幾個(gè)10-18到幾百個(gè)10-12范圍內(nèi)，而采用電容差值的測(cè)量方法恰好可以滿足這個(gè)測(cè)量范圍的要求。 5.3.1 CAV系列接口電路 圖5-16CAV424電路結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電路圖 5.3.2 XE2004接口電路 圖5-19 XE2004內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 5.3.3 MS3110接口電路MS3110采用調(diào)制解調(diào)的電容檢測(cè)方法。MS3110 芯片內(nèi)部能夠產(chǎn)生2路幅值相同、相位相反的方波信號(hào)作為輸出電容的載波信號(hào), 實(shí)現(xiàn)對(duì)電容變化的調(diào)制, 調(diào)制信號(hào)通過(guò)電荷積器將電容變化轉(zhuǎn)換為電壓變化, 采樣保持電路對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào), 經(jīng)過(guò)低通濾波、增益放大就得到與電容差成正比的電壓信號(hào)。5.4 檢測(cè)與質(zhì)量保證 電容式加速度傳感器的可動(dòng)極板與固定極板組成的空氣間隙一般在微米數(shù)量級(jí)上，這樣傳感器的動(dòng)態(tài)特性就由機(jī)械系統(tǒng)-聲系統(tǒng)的相互作用效應(yīng)來(lái)決定，其中主要是可動(dòng)系統(tǒng)中的空氣阻尼的作用。 5.4.1 加速度計(jì)的靜態(tài)校準(zhǔn) 地球重力場(chǎng)法 負(fù)載法 離心機(jī)法 圖5-20 XJ2-1線加速度模擬臺(tái)5.4.2 硅壓力傳感器的可靠性測(cè)試 典型測(cè)試項(xiàng)目有：加偏壓的脈沖式壓力溫度循環(huán)測(cè)試（PPTCB）；加偏壓的高濕度、高溫測(cè)試（H，TB）；加偏壓的高溫測(cè)試（HTB）；高溫和低溫貯存壽命測(cè)試（HTSL和LTSL）；溫度循環(huán)測(cè)試（TC）；機(jī)械振動(dòng)測(cè)試；變化頻率的可