電容式加速度傳感器課程設計1003030304

摘要隨著科學技術的不斷發(fā)展，自動化智能化一步一步走入人們生活中的每一個角落。然而自動化與智能化的實現(xiàn)無疑離不開傳感器。傳感器這個大家族之中，電容式傳感器又占有舉足輕重的位置。電容器傳感器的優(yōu)點是結構簡單，價格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強，動態(tài)響應特性好和對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應性強等。缺點是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復雜等。本課程設計設計了一種基于MEMS的電容式測量加速度的傳感器?；谖C電系統(tǒng)（MEMS）技術的微機械加速度傳感器具有體積小、質量輕、啟動快、功耗低、易集成、可靠性好、抗過載能力強和成本低廉等諸多優(yōu)點，在航空航天、汽車技術機器人技術、工業(yè)自動化、掌上電子產(chǎn)品等諸多領域得到了廣泛的應用。根據(jù)其敏感信號方式，可以分為微型電容式速度傳感器、微型壓阻式加速度傳感器、微型壓電式加速度、感器和微型隧道電流式加速度傳感器等。關鍵詞：電容加速度傳感器信號放大微電子機械系統(tǒng)目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章緒論3課題研究的相關背景3選題的目的和意義4\o"CurrentDocument"課題研究的容5\o"CurrentDocument"國外研究現(xiàn)狀5傳感器目前存在的主要問\o"CurrentDocument"題5\o"CurrentDocument"第二章結構設計6\o"CurrentDocument"2.1微機械電容式加速度計的結構設計原則6\o"CurrentDocument"2.2微機械電容式加速度計的三種常見結構62.3電容式加速度傳感器設計方法選擇與優(yōu)化72.4電容加速度傳感器結構梁的設計10\o"CurrentDocument"2.5微機械電容式加速度傳感器的設計參數(shù)?14\o"CurrentDocument"2.6傳感器工作原理及數(shù)據(jù)計算?16\o"CurrentDocument"2.7微機械加工工藝17\o"CurrentDocument"第三章測控電路18\o"CurrentDocument"3.1轉換電路18\o"CurrentDocument"3.2正弦波產(chǎn)生電路193.3儀用放大器必03.4相敏檢波電路TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"3.5濾波電路泣第四章技術指標23\o"CurrentDocument"4.1殼體固定要求必3\o"CurrentDocument"4.2滑塊與殼體接觸面的光滑度要求?23\o"CurrentDocument"4.3測控電路的要求?23\o"CurrentDocument"第五章傳感器適用圍23\o"CurrentDocument"5.1影響適用圍的因素235.2加設重力加速度傳感器23\o"CurrentDocument"第六章總結與展望24\o"CurrentDocument"6.1數(shù)據(jù)關系?246.2與書本上面的測加速度傳感器對比24第七章總結與展望24\o"CurrentDocument"7.1總結?247.2展望?24\o"CurrentDocument"參考文獻25附錄126附錄227附錄328第一章緒論1.1課題研究的相關背景傳感器是一種應用非常廣泛的設備，在各種自動控制過程中，它能迅速客觀地反映出實際情況。電容式傳感器有很多，但原理相同。平行板電容器的電容C跟介電常數(shù)￡成正比跟正對面積成反比根極間的距離d成反比有：C=￡S/4nkd式中k為靜電力常量。通過改變介質，極板距離，極板正對面積，這三個參數(shù)之一使傳感器的電容發(fā)生變化，再通過電荷放大器，將電容變化或電量變化轉換成容易用電路處理電壓或電流量。這就是電容式傳感器的特點，通過上面的原理可以做成很多傳感器，比如測長度的，測角度，測空氣粉塵，空氣濕度，還有聲音，振動等，精度很高，比如測振動的精度可以達到零零幾個微米。但是測長度的線性度不好，需要通過電路矯正，還有容易受到電路中的寄生電容的影響，所以電路設計的時候要很注意。把被測的機械量，如位移、壓力等轉換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個平行電極組成、極間以空氣為介質的電容器。若忽略邊緣效應平板電容器的電容為￡A/6，式中￡為極間介質的介電常數(shù)，入為兩電極互相覆蓋的有效面積，6為兩電極之間的距離。6、A、￡三個參數(shù)中任一個的變化都將引起電容量變化，并可用于測量。因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質變化型三類。極距變化型一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、振動等引起的極距變化（見電容式壓力傳感器）。面積變化型一般用于測量角位移或較大的線移。介質變化型常用于物位測量和各種介質的溫度、密度、濕度的測定。70年代末以來，隨著集成電路技術的發(fā)展，出現(xiàn)了與微型測量表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影大為減小，使其固有的缺點得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅?。測量物體相對于或慣性空間的運動，通常采用慣性式傳感器。慣性式傳感器種類很多，用途廣泛。加速度傳感器的類型有壓阻式、壓電式和電容式等多種，其中電容式加速度傳感器具有測量精度高，輸出穩(wěn)定，溫度漂移小等優(yōu)點。而電容式加速度傳感器實際上是變介電常數(shù)電容式位移傳感器配接“m--c”系統(tǒng)構成的。其測量原理是利用慣性質量塊在外加速度的作用下與被檢測電極間的空隙發(fā)生改變從而引起等效電容的變化來測定加速度的。本課程設計利用慣性原理，加速的變化使滑塊動作，從而帶動介子移動。使電容的介電常數(shù)發(fā)生改變，通過測量這個介電常數(shù)的變化進一步反映加速的大小以及方向。微機電系統(tǒng)(MEMS,Micro-Electro-MechanicSystem)是一種先進的制造技術平臺。它是以半導體制造技術為基礎發(fā)展起來的。MEMS技術采用了半導體技術中的光刻、腐蝕、薄膜等一系列的現(xiàn)有技術和材料，對半導體材料進行微米或者毫米級別的加工。隨著硅微加工的迅速發(fā)展，各種器件開始出現(xiàn)，加速度傳感器就是其中一種運用比較成功、圍較廣的器件。它和其它種種MEMS器件一樣，具有體積小、質量輕、成本低、功耗低、可靠性高等特點，而且因為其加工工藝一定程度上與傳統(tǒng)的集成電路工藝兼容，易于實現(xiàn)數(shù)字化、智能化以及批量生產(chǎn)，因而從問世起就引起廣泛關注，并且在汽車安全氣囊、心臟起搏器、地震檢測等方面得到了廣泛應用。1.2選題的目的和意義課程設計是本專業(yè)教學實踐環(huán)節(jié)的主要容之一，是學習專業(yè)技術課所需的必要教學環(huán)節(jié)。通過課程設計的教學實踐，使我們所學的基礎理論和專業(yè)知識得到鞏固，并使我們得到運用所學理論知識解決實際問題初步訓練；課程設計的我們應接觸和了解實際局部設計，從收集資料、方案比較、計算、繪圖的全過程，進一步提高我們一析、綜合能力以及工程設計中計算和繪圖的基本能力，為今后的畢業(yè)做好準備。通過這次課程設計，掌握傳感器的工作原理，了解簡單多功能傳感器組成原理，初步掌握多功能傳感器的調整及測試方法，提高動手能力和排除故障的能力。同時通過本課題設計與裝配、調試，提高自己的動手能力，鞏固已學的理論知識，建立傳感器的理論和實踐的結合，了解多功能傳感器各單元電路之間的關系及相互影響，從而能正確設計、計算各個單元電路。1.3課題研究的容本系統(tǒng)采用模塊化設計傳感器，在實際生活中廣泛應用。電容式傳感器是將被測量的變化轉換為電容量的變化，實質上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。利用滑塊的移動量轉變?yōu)闃O板間距的變化，從而導致電容值的變化。通過測控電路的放大、整流和A/D轉換，然后利用單片機把加速的顯示出來。1.4國外研究現(xiàn)狀傳感器作為一種電子產(chǎn)品，早已廣泛應用于各種實際場合，但目前所使用的傳感器有的電路較復雜不便于制作，可靠性低，實現(xiàn)起來很困難；有的則用一些專用的集成塊，而專用集成塊的購買又很困難。為適應更多的實際生活需要而設計一個多功能傳感器，這種傳感器具有電路簡單，元件普通，易于購買等優(yōu)點，很好地解決了制作者制作困難和難于購買的問題。在國外已經(jīng)開始了普遍的應用。1.5傳感器目前存在的主要問題隨著改革開放事業(yè)的不斷深入，促使人們學科學、學技術、學知識的手段多種多樣，傳感器作為一種工具，已廣泛應用于各種實際生活中。但傳感器器的使用頻率校高，且有的要么制作復雜，要么可靠性低，減少興致。作為一個單位若專購一個傳感器雖然在經(jīng)濟上可以承受，但每年使用的次數(shù)極多，往往因長期使用使（電子器件的）傳感器損壞，再購置的麻煩和及時性就會影響活動的開展。但目前多數(shù)傳感器存在2個不足之處：輸出具有非線性；寄生電容的影響往往降低傳感器的靈敏度。第二章結構設計基于電容變化的原理來對加速度進行檢測的微機械電容式加速度計具有制作工藝簡單、溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好、阻尼系數(shù)容易控制等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應用。電容式加速度傳感器的基本參數(shù)如固有頻率，非線性度，分辨率、量程、穩(wěn)定性等首先取決于其本身結構。因此，對其進行結構設計研究具有重要的理論意義及應用價值。2.1微機械電容式加速度計的結構設計原則微機械電容式加速度計結構的設計要綜合考慮各項性能以達到最佳的整體性能。考慮硅材料的固有材料特性和微加速度計的實際功能，在硅微結構的設計過程中，除了應滿足具有較好的強度、易于加工和線性原則外，還應考慮一下一些原則：（1）同向性原則：當硅微結構受到各方向沖擊作用時，只有某一個或某幾個方向最為敏感，其余方向則是遲鈍的。同向性原則可以保證被傳感信息的有效性和無干擾性。（2）靈敏性設計原則：靈敏性設計是指在硅微結構空間中，微納米量級的位移能反映加速度的變化。并能有效地用相關的電物理量（如電容量）測定出來。即有著較好的靈敏度。2.2微機械電容式加速度計的三種常見結構微機械電容式加速度計主要有三種結構，即治擺式加速度計結構、蹺蹺板擺式加速度計和梳齒式微加速度計。（1）治擺式電容加速度計治擺式電容加速度計又稱為懸臂梁式硅微機械加速度計（CantileverBeamMicromachinedSiliconAccelerometer，CMSA），是一種夾層結構的微機械加速度計，因動極板被夾在固定極板中間形似治(Sandwich)而得名。該結構相對比較簡單，電容可動極板由中間的敏感質量硅擺片的上下兩面用電鍍的方法制成，與相對應的固定極板組成一組差動電容來敏感輸入加速度的大小。當質量塊受到加速度激勵上下運動時，電容極板間距隨之變化，差動電容大小發(fā)生改變，理論推導可知差動電容的大小和加速度在質量塊位移較小的情況下成近似線性比例關系。但是該結構需要在敏感質量塊上進行雙面光刻，要求工藝設備較多，工藝難度較大。如果排除加工難度的因素，這種結構式較理想的，可作出精度較高、封閉性較好的加速度計。在這方面的研究上，美國Litton公司、德國Litef公司、瑞士Neuchatel大學以及日本日立公司和東北大學均采用體加工法，分別研制成功該結構g級的高精度微機械加速度計，表頭為玻璃一硅一玻璃或硅一硅一硅治結構。蹺蹺板擺式電容加速度計蹺蹺板擺式電容加速度計又稱扭擺式硅微加速度計(PendulousMicromachinedSiliconAccelerometer，PMSA)，因敏感質量繞著彈性梁扭轉形似蹺蹺板而得名。其典型代表是美國Draper實驗室于1990年研制的微機械加速度計，其敏感質量與下面的玻璃基片之間形成差動檢測電容。由于質量片分別位于承扭梁兩邊的質量和慣性矩不相等，所以當存在垂直于質量片的加速度輸入時，質量片將繞著支撐梁旋轉，從而使相應的一對差動電容一個增大一個減小，測量差動電容值既可得到沿敏感軸輸入的加速度。它的檢測電路與ADXL50類似。擺片與基片之間形成差動電容由100kHz載波信號激勵，輸出的電壓經(jīng)過放大和相敏解調后作為反饋信號加給力矩器電容極板，產(chǎn)生靜電力，使得極板間的轉角回到零位附近。加在力矩器電容極板上的平衡電壓和被測加速度成線性關系。梳齒式電容加速度計梳齒式硅微機械加速度計(Finger-shapedMicromachinedSiliconAccelerometer，簡寫為FMSA)因活動電極形似梳齒而得名，又稱叉指式電容加速度計，是微加速度計的一種典型結構。梳齒式微加速度計是梳齒式微加速度計具有靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、結構相對簡單、功耗比較低、直流特性好等特點，但是容易受到電磁干擾。該類型的加速度計可以通過把若干極板面積較小的電容并連起來形成相對較大的電容以提高分辨率，而且可以制作反饋結構實現(xiàn)閉環(huán)控制，利于精度的提高。此外，此類型微加速度計的制作方法基本上與大規(guī)模集成電路的工藝技術相互兼容。綜上便利條件，目前梳齒式微加速度計研究較多并已經(jīng)得到了成功的應用。2.3電容式加速度傳感器設計方法選擇與優(yōu)化一種梳齒式微加速度計的活動敏感質量元件是一個為H形的雙側數(shù)尺結構，相對于固定活動敏感質量元件的基片懸空并與基片平行，與兩端撓性梁結構相連，并通過立柱固定于基片上。每個梳齒由中央質量桿（齒樞）向其兩側伸出可以運動，稱為動齒（動指），構成可變電容的一個活動電極，直接固定在基片上的為定齒（定指），構成可變電容的一個固定電極，定齒動齒交錯配置形成差動電容。利用數(shù)尺結構，主要是為了增大了重疊部分的面積，獲得更大的電容。按照定齒的配置可分為定齒均勻配置梳齒電容加速度計和定齒偏置結構的梳齒電容加速度計；而按照加工方式的不同又可分為表面加工梳齒電容加速度計和體硅加工梳齒電容加速度計；再者可按照控制方式的不同分為開環(huán)控制加速度計和閉環(huán)控制加速度計。下面結合上述一些分類及特點，利用實例做一些典型分析。2.3.1表面加工和體硅加工定齒均勻配置梳齒式電容加速度傳感器表面加工定齒均配置梳齒式電容加速度計的典型結構如圖2.1所示，每組定齒由n型齒和兩個L型齒組合而成，每個動齒與一個口型定齒和一個L型定齒交錯等距離配置形成差動結構。該方案的主要優(yōu)點是可以節(jié)省管芯版面尺寸，這對于表面加工的微機械傳感器是適當?shù)?。但由于表面加工得到的梳齒式結構測量電容偏小，影響了梳齒式微機械傳感器分辨率和精度的進一步提高。為了提高微機械傳感器的分辨率和精度，一般采用體硅加工方法加工得到定齒偏置結構的梳齒電容加速度計。II形齒活動杭齒,質量元件往返移動齒植折疊梁固定梳齒圖II形齒活動杭齒,質量元件往返移動齒植折疊梁固定梳齒圖2.1表面加工定齒均勻配置梳齒式電容加速度計的結構示意圖2.3.2體硅加工定齒偏置結構梳齒式微機械電容加速度計定齒偏置配置梳齒式電容加速度計的典型結構如圖2.2所示、與表面加工的定齒均置的結構有所不同，定齒為單側梳齒式結構；以敏感質量的縱向對稱軸為界，左右兩側結構對稱。上下相對的定齒是電連通的，左側定齒的電極性與右側定齒的電極性相反。敏感質量元件的每一個動齒與相鄰的兩個定齒的每個梳齒交錯配置，整個結構形成以梳齒為中點左右對稱，總體形成差動電容。每一個動齒與兩側相鄰的定齒之間的間距分別為d0和D°，D0和d°比值大于5：1以上，主要敏感距離小的一側形成的電容量，可忽略距離大的一側的電容量。形成的電容共分為兩組：差動檢測電容和差動加力電容。圖2.2定齒偏置配置梳齒式電容加速度計的結構示意圖兩側的口形定齒S1、52為左右對稱的檢測齒，構成檢測電極，分別與動齒形成2n對差動檢測電容，如圖2.3所示。1型定齒^、七為左右對稱的加力齒，構成加力電極，與動齒形成2七對差動加力電容。所有動齒定齒共同等效為1對差動檢測電容C1與C2和一對差動加力電容C11與C22。動指定指CslO圖2.3動指定指CslO圖2.3差動電容簡化示意圖2.3.3體硅加工定齒偏置結構的優(yōu)點

由上述敘述，綜合起來考慮，定齒偏置結構在版面利用和加工工藝上有很多長處，明顯優(yōu)于定齒均置結構。下面表2.1是兩種結構的比較。表2.1定齒均置與偏置結構的比較定齒均置結構定齒偏置結構橫向尺寸大較小敏感軸方向尺寸較小較大鍵合鍵合塊越多，鍵合難度大鍵合塊少，單塊鍵合面積大，大大降低了鍵合難度，鍵合接觸電阻小而均勻加工較難較易分辨率較小較大精度較小較大綜合性能一般較好2.4電容加速度傳感器結構梁的設計結構梁在微機械加速度計的設計中是十分關鍵的一個部分，其參數(shù)與儀表的分辨率、量程、橫向靈敏度等指標均有密切關系，稱為微結構設計的重點之一。微機械電容式加速度計常用的梁結構主要有懸臂梁、雙端固定梁、L形梁、魚鉤梁、蛇形梁及斜置梁等。2.4.1各式微結構梁采取何種形式的梁以及多大尺寸的梁，是需要進行優(yōu)化選擇和設計的。其設計首先要在達到目標剛度的前提下，應使梁的長度最小，厚度最大，從而具有較高的強度；第二要滿足同向性原則，即需要結構梁在敏感方向具有較軟的剛度，而除了敏感方向外其它方向上的剛度最大，交叉了靈敏度要盡量減小，從而具有較強的抗干擾能力，減小其它方向對敏感信號的干擾。最后，需要二階及二階以上模態(tài)頻率遠遠大于檢測模態(tài)的頻率值。常見微結構梁的結構示意圖如圖2.4所示。圖2.4常見類型的粱結構圖中自左向右、從上到下分別是（a）懸臂梁、（b）雙端固支梁、（c）折疊梁、（d）L型梁1、（e）L型梁2、（f）魚鉤梁、（g）蛇形梁、（h）斜置梁。當各種微結構梁參數(shù)基本相同的情況下，比較幾種微梁結構，同時考慮強度和制造工藝等條件，我們可以得出各種梁結構的自身特點。具體見表2.2。表2.2常見微結構梁性能特點比較類型檢測模態(tài)交叉有無應力釋主要特點工藝懸臂梁剛度小耦合小放作用有剛度小要求雙面雙端固較大小無結構簡單光刻無定梁L梁1較大大有節(jié)省面積無L梁2較大較大有介于折疊梁和雙端固定梁之間無魚鉤梁小大有前兩階模態(tài)剛度較小無蛇形梁小大有梁軟，振幅大無斜置梁較大大無前兩階模態(tài)頻率相差較小，不受無折疊梁較小較小有加工誤差影響綜合性能較好無通過比較我們看出，折疊梁的綜合性能較好。折疊梁還具有結構簡單，自身具有應力釋放作用，能抵抗加工過程及其它熱變化引起的膨脹變形，剛度、模態(tài)頻率易調節(jié)等很多優(yōu)點。并且另外一個原因是折疊梁結構在很大的變形圍，位移與作用力都保持線性關系。當折疊梁外兩臂長不同時，在應力作用下梁易彎曲。在保證梁剛度不變的情況下，把兩臂不等長的折疊梁變?yōu)榈缺坶L的折疊梁，可以減小整個折疊梁尺寸。2.4.2折疊梁剛度計算在比較選擇了折疊梁作為設計選取方案，我們有必要對梁的剛度有一定的認識。我們不妨用折疊梁和雙端固定梁作比，進一步定量的分析我們選擇折疊梁的好處。（1）雙端固定梁剛度的計算雙端固定梁的微結構示意圖在前文已表述。由對稱性可知，只需要分析一側的梁就可以了。圖2.5即為敏感質量一側梁的受力分析示意圖。設AB梁長為21，寬為b，厚為h，中心點C受力為P。由于梁AB受力情況關于。點對稱，所以之需要分析AC就可以了，AC段的受力分析如圖2.6所示。圖2.5雙端固定梁的一側受力示意圖

圖2.6圖2.6AC段受力分析和相應力矩圖由力學知識可以解得，AC段梁各截面的彎矩與沿X軸方向的變形為:M(X)=Ma-2PX,(2-2)9(X)=Ej(MX-4PX2)Ej(2(2-2)Ej(2max2-—PX3)12其中，J一對Z軸的慣性矩：J=b3h/12由邊界條件及點變形條件9(0)=0,9=0解得:9(0)=L(Ml-1Pl2)=0,M,EJA4A4PlMC=MA-2Pl=-4Plo(X)=—(1MX2-—PX3o(X)=—(1MX2-—PX3)=1EJ2A1212PX324EJ—1Pl3即。點位移為：o(X)==EJ24EJ(2-3)(2-4)由于結構對稱，雙端固支梁相當于兩個單側丫方向的剛度的并聯(lián)，由此可以求得檢測方向(Y方向)的等效剛度為：

(2-6)（2）折疊梁檢測方向的剛度采用等臂長的折疊梁結構，敏感質量兩端各由尺寸大小一樣的折疊梁支撐，取其中一端，受力分析如圖2.7所示。圖2.7圖2.7（a）（b）分別是等臂長的折疊梁結構和受力分析示意圖采用等臂長的折疊梁結構，敏感質量兩端各由尺寸大小一樣的折疊梁支撐，取其中一端，受力分析見圖2.11。設梁長AB=CD=1,AB=CD=1,寬為b，厚為h。折疊部分AA和DD'影響。由式（2-6）可知，雙端固支梁AD和A^D'的k=kk=k=些ADAD13(2-7)此時，折疊梁相當于兩個雙端固定直梁AD和AD^的串聯(lián)。所以折疊梁檢測方向(Y方向)的剛度為：(2-8)K_k、Dxk站,_12EJ_12Exb3h_Eb3hy-、+k=~13E~12=~13~(2-8)由圖2.7可以看出，該加速度計結構相當于兩個折疊梁的并聯(lián)，所以可以求得折疊梁Y方向的等效總剛度為:7叱7叱24EJ2Eb3hK廣亍(2-9)由此可見，相同情況下，折疊梁與雙端固支梁在檢測方向的剛度之比為1：2。所以折疊梁性能優(yōu)于雙端固支梁。通過上述分析，電容式加速度傳感器的結構設計選取體硅加工工藝，選擇折疊梁作為承載梁，實現(xiàn)閉環(huán)控制，設計出定齒偏置加速度計。2.5微機械電容式加速度傳感器的設計參數(shù)在微機械電容式加速度傳感器中，采用一個慣性質量塊為敏感檢測質量，檢測電容的一個極板制作在慣性質量塊上有加速度作用時慣性質量塊會沿檢測敏感方向運動，從而改變質量塊上可動極板與襯底上固定極板之間的容值，通過對該電容值的測量即可得到加速度的值這種結的傳感器受環(huán)境影響較大，檢測信號容易被干擾噪聲淹沒，難滿足高靈敏度和高精度要求因此在工程實際應用中一般用差動結構(圖2.8)差動測量的兩部分受到的干擾噪聲號基本一致，可以通過差分計算有效提高傳感器的信噪比。圖2.8(a)動極板示意圖(b)差動式結構示意圖偏置式電容加速度傳感器結構示意圖如圖2.8所示，水平方向為敏感方向。梳狀電容極板當水平方向有加速度，質量塊由于慣性力作用，向水平方向有位移，從而改變極板間距d，從設計結構可知，梳狀電容器左右上下形成差分式電容。微機械加速度傳感器可化為質量一彈簧一阻尼系統(tǒng)，由牛頓第二定律可知等下力學模型為：d2x(t)dx(t)F=ma(t)=m+c+kx(t)(2-10)adt2dtFa為外部加速度引起的沖擊力。查閱相關資料可設計：質量塊的質量m=1.838x10-7kg，彈性彈簧梁k=101N/m，質量塊長度Lm=1500日m寬度Wm=650rmU型梁長度Lu=600Rm寬度Wy=10rm

U型梁圓弧部分半徑七=35pm梳齒極板長度Ls=500rm,重合部分長度L=450rm寬度Ws=8rm厚度均為H=80RmU型梁圓弧部分半徑七=35pm梳齒極板長度Ls=500rm,重合部分長度L=450rm寬度Ws=8rm厚度均為H=80Rm檢測動梳齒總數(shù)n=48，?初始間距d0=4.5Rm。2.6傳感器工作原理及數(shù)據(jù)計算差動式電容可等效為圖2.9形式：A^^^^^■CB^^^?圖2.9差動式電容簡化極板電路單個可動極板和其對應的固定極板構成的電容為C0=C1=C2既lhdo（2-11）敏感方向有加速度作用，敏感質量塊受到一加速度方向相反的作用力，使質量塊偏離原來平衡位置，產(chǎn)生一下段位移Ad，可動極板和固定極板之間的電容變化為：C=￡￡0S1d+Adc=￡￡0S2d0-Ad（2-12）由于采用差動式靜電力作用反饋電路，Ad<<d:0AC=C-C=W-W0i2d0+Add0—Ad敏感方向的位移：2eeSAd

0

d02-Ad22弱SAd牝—0d20（2-13）由2-13和2-14可得:AC=2￡￡0Sma

kd2

0（2-14）（2-15）空氣的相對介電常數(shù)C=L真空的介電常數(shù)80=8用5X10-12F?m-1，由設計參數(shù)

可計算得出：（2-14）（2-15）初始檢測電容為C=E=^^=￡￡0LHW1.698pF

2d0d0加速度傳感器的電容靈敏度為：二n^=OR〃九.s_2)0加速度傳感器的位移靈敏度為：Sd=竺=kg牝1.783X10-8mg質量一彈簧一阻尼系統(tǒng)固有頻率：①1'kf=芬=說\,L一=3732.7Hzm極板間最大相對位移為△d=4rm，理論上計算最大測量加速度為:a=^^=2198m?s-2=224g所以理論測量圍為0~224g。(g=9.81m?s-2)①1'kf=芬=說\,L一=3732.7Hzm微電容式加速度微傳感器工藝技術是基于MEMS技術，它符合同EMS的標準工藝。在此選用一種為加速度傳感器作為分析模型，該電容式加速度傳感器是由質量塊、硅膜片極板、懸梁、襯底、襯底電極和絕緣層構成。微加速度傳感器采用硅-玻璃鍵合技術，核心工藝是芯片與玻璃襯底之間的鍵合技術和深反應離子刻蝕(DRIE)技術。鍵合技術的目的是將不同材料、表面結構和功能特性的圓片鍵合到一起，得到需要的結構。該設計采用陽極靜電鍵合技術將硅晶片粘合到玻璃襯底上，其密封性較好且成本較低。深反應離子刻蝕是一種特殊的反應離子刻蝕技術，它可以加工側壁陡直的高深寬比結構。DRIE具有刻蝕速度快、側壁陡直、可在常溫下刻蝕的特點，根據(jù)其掩膜形狀可以非常容易地推斷最終得到的三維刻蝕結構。傳感器的加工工藝流程如下：(1)選取厚度為150um單晶硅片進行熱氧化，得到1.5?2um的二氧化硅保護層。硅片一面涂光刻膠進行保護，另一面涂光刻膠進行光刻，得到微機械加速度傳感器的懸浮運動區(qū)域和結構懸起固定支撐區(qū)域。采用圖6(g)掩模板。清除硅片表面的SiO2，采用濃硼擴散工藝對硅片進行摻雜，使結構能與電極形成良好的歐姆接觸，提高傳感器性能。由于擴散濃度和圍主要受擴散持續(xù)時間和擴散溫度的影響，因此需要嚴格控制擴散時間和溫度。淀積溫度約750笆，驅入溫度約為1250°C.制備玻璃片，濺射金屬電極層?？紤]到后續(xù)的鍵合工藝，采用派萊克司7740號(Pyrex7740#)玻璃。在玻璃片正面濺射一層鋁(Al)，厚度約1口m.在玻璃片上金屬電極一面涂覆光刻膠，進行光刻，利用濃磷酸溶液腐蝕表面濺射的鋁，得到電極引線。玻璃片與硅片采用硅一玻璃陽極對準高溫鍵合工藝進行鍵合，溫度為300笆，鍵合電壓為1kV.由于鍵合是在高溫下進行的，若鍵合材料熱膨脹系數(shù)相差較大，在冷卻時會產(chǎn)生熱失配，產(chǎn)生較大的應力，甚至導致破碎。派萊克司7740(Py-rex7740#)號玻璃與硅片在300C左右時膨脹系數(shù)十分接近，因此可以使其殘余應力較小。用有機類腐蝕劑EPW系統(tǒng)(乙二胺、鄰苯二酚和水，Ethylene-diamine，Pyrocatechol&Water，或稱EDP)濕法腐蝕工藝對硅片進行腐蝕，將硅片減薄到80um.氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鋰LiOH等金屬堿性氫氧化物腐蝕劑中含有的金屬離子會對硅片造成污染。EPW腐蝕則不會。第三章測控電路傳感器出來的信號要經(jīng)過放大電路，濾波電路，調制解調電路經(jīng)AD轉換，輸入到單片機顯示。系統(tǒng)總的框圖如圖3.1所示:

圖3.1測控系統(tǒng)總體框圖3.1轉換電路微電容式傳感器的固有頻率為f=3727Hz,供電電源頻率必須低于這一頻率，一般為其1/3?1/2,傳感器才能正常工作。將電容傳感器接入交流電橋的橋臂，其中兩個橋臂是耦合電感，具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小，大大簡化了電橋的屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。而且變壓器式電橋使用原件比較少，橋阻最小，因此目前較多采用。電路圖如下：測量■調制電路圖3.2變壓器式電橋3.2正弦波產(chǎn)生電路穩(wěn)幅文氏振蕩器是用運算放大器做放大元件的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡正弦波振蕩器，電路如圖3.3所示。由于放大器的輸出電阻很低，反饋信號加入運算放大的同相輸入端，所以輸入電阻很高，這樣同相放大器的增益KF=1+R8/Rf，僅與外部電阻R8和Rf有關，而與放大器本身參數(shù)無關，因此增益的精度和穩(wěn)定性都很高。在實際應用中，常選RC串-并聯(lián)電路的R1=R2二R，C1二C2二C，所以在f=1/2nRC這個頻率上，RC移相網(wǎng)絡相位移為零，而R8^2Rf，滿足振蕩條件。選R=240kQ，C=330pF，則得到振蕩頻率為：1f=鼻C2X1f=鼻C2X3.14X240X103x330x10一12"2kHz為實現(xiàn)自動穩(wěn)幅的目的，在運算放大器輸入端加上由R8、R4和場效應管VT組成可控負反饋電路。對場效應管要求工作在線性電阻區(qū)，只有在uds較小時，它的rds差不多隨柵源電壓vgs線性變化，宛如一只良好的壓控線性電阻，阻值可調圍約為400Q?100MQ，當幅值較大時，Rds應自動增大以加強負反饋，這個作用由整流二極D1，濾波電路％、R6、C5及場效應管VT組成。當幅值較小時，C5上的電壓VC5逐漸減小，導致Rds下降，所以電路將自動在VT的其一柵源電壓下穩(wěn)定下來，輸出幅值穩(wěn)定的正弦波電壓。調節(jié)r6可改變輸出電壓的大小，一般將輸出電壓調節(jié)在3?5V之間。3.3儀用放大器在許多檢測技術應用場合，傳感器輸出信號往往較弱，而且其中還包括工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這種信號的放大就需要放大電路具有很高的共模抑制能力以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，習慣上稱為儀用放大器，如圖3.5所示。

放大電路圖3.5儀用放大器電路圖放大電路儀用放大器從電路結構可知，這是一種同相并聯(lián)差動放大器，其對稱性結構使整個放大器具有很高的共模抑制能力，特別是適用于長距離測量。其數(shù)學模型TOC\o"1-5"\h\zRR+R…、U=-^(1+)(U—U)為：OR5R00102(3-1)令電路參數(shù)對稱R=R3=R5二R4=R6=16kQ,即R1=R2=40kQ。帶入(16)整理得：所以增益為：K=—^~o—=1+^—1(3-2)U.1—U2Ro這種電路特點是性能穩(wěn)定，其漂移將大大減少，具有高輸入阻抗和高共模抑制比，對微小的差模電壓很敏感，并適用于遠距離傳輸過來的信號，因而十分適用與傳感器配合使用。顯然，為保證電路的對稱性，改變增益最合理、最簡單的方法是改變RG的阻值。3.4相敏檢波電路當被測量經(jīng)過變壓器式電橋變換后，將微弱的交流信號送入儀用放大器進行放大，為了恢復原來被測量緩慢信號，采用相敏檢波器將交流的幅度變化轉換成正比于傳感器電容AC的直流電平。其相敏檢波電路如圖3.6所示。其工作過程如下，11’當輸入電壓V.為正半周期時，U4反相，D2截至，D1導通，U4輸出為零，R=R疽20kQ，U：的電壓放大倍數(shù)為、/肖二-1，則輸出信號為：寸二七。11’當輸入電壓V為負半周期時，經(jīng)星4反相，D2導通，D1截至，。經(jīng)、，U4輸出為-V，選擇合適的電阻R、R使R4=2R經(jīng)過R過來的電壓疊加'后輸出1.11’1111’1111’信號V為：V=V。0o1

圖3.6相敏檢波電路圖3.5濾波電路通過相敏檢波出來的信號需要濾波后才能得到有用信號。采用壓控電壓源型低通濾波電路。電源頻率為f=2kHz，可設截止頻率為fp=10kHz，Q=0.707。由此圖3.7低通濾波電路圖R13二R14=1.6KQ,C4=C5=0.01rF,R16=5K,R17=3K。則帶寬為0?10Hz。這樣把它檢波后的脈動直流信號中高次諧波濾掉，采用有源低通濾波器的優(yōu)點是較小的電容得到良好的濾波效果。濾波器輸出后的電壓信號經(jīng)過AD574模數(shù)轉換片與單片機80C52連接，這樣就可以完成對被測對象的檢測和控制。第四章電容式加速度傳感器的技術要求4.1殼體固定要求整個殼體需要固定在被測運動物體之上，殼體與被測物體不能有相對運動，或者說不能有相對加速度。如果殼體與被測運動物體沒有結合在一起，之間有相對加速度，則測量出來的加速的包含了一個與這個相對加速度方向相反的加速度。導致測量誤差。措施：把殼體用螺釘栓在被測體之上。4.2滑塊與殼體接觸面的光滑度要求本加速度傳感器主要是利用滑塊的慣性運動，經(jīng)傳感顯示出加速度。如果滑塊與殼體接觸面光滑度不夠，則必然不能很好的顯示出加速度的變化情況。對于這里，有兩點減少誤差的措施：接觸面盡量光滑。從硬件上加大加工減少摩擦，使這個影響變小。在結果采取補償。盡管，我們可以把接觸面做的很光滑，但是摩擦還是不可避免的。這是硬件方面無法避免的，但是我們可以通過計算，把摩擦影響在測量結果加上一個數(shù)值，使其影響變小。因為最大靜摩擦的存在，被測物體僅僅只有加速度是不能使滑塊發(fā)生運動，也就不能使傳感器感受到加速度。這樣，只有當加速度上升到某個值的時候，傳感器才開始有顯示，這時候實驗結果的補償也才可以實施。我這里記這個加速度為a0，所以加大光滑度，減少摩擦盡量使這個a0值變小。這一點也是傳感器致命缺點，由于摩擦的存在使傳感器的測量圍減少。措施：加強表面加工；加注潤滑油。4.3測控電路的要求測控電路的作用是將信號放大，并轉換成所需要的信號類型。這里，測控電路需要把信號放大，且把模擬信號要轉變成數(shù)字信號，利用單片機顯示在頻幕上。然而信號是極其微弱的，電路之中一個器件發(fā)出的噪聲也許都比這個信號要大。所以測控電路一定要濾除干擾信號。所以，在測控電路之上一定要加屏蔽措施。措施：外加屏蔽罩；加屏蔽電路。第五章傳感器適用圍5.1影響適用圍的因素除了之上所述，摩擦影響測量精度。還有就是地球萬有引力作用，如果被測物體不是在水平線上運動，而是斜向上，或者斜向下。這時候，即使物體是停放在一個斜坡之上，按傳感器的設計，這里也會有加速度顯示。顯然這是不行的。所以單單這個傳感器，只能適用于水平直線運動。顯然，這個適用圍很窄。5.2加設重力加速度傳感器由于重力的影響，使傳感器只能適用于水平的運動中。但是如果加設一個重力在運動線上分量測量的傳感器，然后用之前傳感器的測量減去這個分量的線性疊加。這樣就可以避開重力的影響。特殊情況，如果運動在垂直線上，測量結果減去一個重力加速