電容式加速度傳感器課程設(shè)計1003030304

1、隨著科學(xué)技術(shù)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(jié)構(gòu)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(yīng)特性好和對高溫、輻 射、 強振等惡劣條件的適應(yīng)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(fù)雜等。 本課程設(shè)計設(shè)計了一 種基于 MEMS 的電容式測量加速度的傳感器。基于微機電系統(tǒng) ( MEMS 技術(shù)的微機械加速度傳感器具有體積小、質(zhì)量 輕、 啟動快、 功耗低、 易集成、 可

2、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(shù)機器人技術(shù)、 工業(yè)自動化、 掌上電子產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域得到 了廣泛的應(yīng)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(guān)鍵詞:電容 加速度 傳感器 信號放大 微電子機械系統(tǒng)第一章 緒論 ·····················&

3、#183;·························3 1.1 課題研究的相關(guān)背景·····················

4、3;········3 1.2 選題的目的和意義 ·······························4 1.3 課題研究的內(nèi)容······

5、····························5 1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀····················

6、;··············5 1.5 傳感器目前存在的主要問題························5 第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計 ·······

7、···································6 2.1 微機械電容式加速度計的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則···········&

8、#183;·6 2.2 微機械電容式加速度計的三種常見結(jié)構(gòu)·············6 2.3 電容式加速度傳感器設(shè)計方法選擇與優(yōu)化···········7 2.4 電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)梁的設(shè)計·············

9、······10 2.5微機械電容式加速度傳感器的設(shè)計參數(shù)··············14 2.6傳感器工作原理及數(shù)據(jù)計算·······················&

10、#183;16 2.7微機械加工工藝·································17第三章 測控電路 ············&

11、#183;····························18 3.1轉(zhuǎn)換電路···················

12、83;···················18 3.2正弦波產(chǎn)生電路····························&#

13、183;····193.3儀用放大器······································20 3.4相敏檢波電路···

14、3;································21 3.5濾波電路················

15、························22 第四章 技術(shù)指標(biāo) ························

16、··················234.1殼體固定要求······························&

17、#183;·····23 4.2滑塊與殼體接觸面的光滑度要求····················23 4.3測控電路的要求··················

18、3;···············23第五章傳感器適用范圍 ································

19、83;····23 5.1影響適用范圍的因素······························23 5.2加設(shè)重力加速度傳感器 ··········&

20、#183;·················23 第六章 總結(jié)與展望 ······························

21、··········24 6.1數(shù)據(jù)關(guān)系······································&#

22、183;·24 6.2與書本上面的測加速度傳感器對比··················24第七章 總結(jié)與展望 ·························

23、;···············24 7.1總結(jié)·································

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

25、#183;·····24參考文獻(xiàn) ···········································

26、······25附錄 1···········································

27、········26附錄 2·········································

28、··········27附錄 3·······································

29、············28第一章 緒論1.1 課題研究的相關(guān)背景傳感器是一種應(yīng)用非常廣泛的設(shè)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/4kd式 中 k 為靜電力常量。通過改變介質(zhì),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(zhuǎn)換成容 易用電路處理電壓或電流量。 這就是電

30、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(dá)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(shè)計的時 候要很注意。把被測的機械量, 如位移、 壓力等轉(zhuǎn)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(zhì)的電容器。 若忽略邊緣效應(yīng)平板電容器的電容為 A/, 式中 為極間 介質(zhì)的介電常數(shù), A 為兩電極互相覆蓋的有效面積 ,為兩電極之間的距離。

31、、 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(zhì)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(zhì)變化型常用于物位 測量和各種介質(zhì)的溫度、 密度、 濕度的測定。 70年代末以來 , 隨著集成電路技術(shù) 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膫鞲衅鳌?測量物體相對于大地或慣性空間的運動

32、,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(gòu)成的。其測量原理是利用慣性質(zhì)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(shè)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(jìn)一步反映加速的大小 以及方向。微機電系統(tǒng)(MEMS, Micro-Electr

33、o-Mechanic System是一種先進(jìn)的制造 技術(shù)平臺。它是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。 MEMS 技術(shù)采用了半導(dǎo)體 技術(shù)中的光刻、 腐蝕、 薄膜等一系列的現(xiàn)有技術(shù)和材料, 對半導(dǎo)體材料進(jìn)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、范圍較廣的器件。它和其它種種 MEMS 器件一樣,具有體積小、質(zhì)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(guān)注, 并且在汽車安全氣囊、 心臟起搏器、 地震檢測等方面得到

34、了 廣泛應(yīng)用。1.2 選題的目的和意義課程設(shè)計是本專業(yè)教學(xué)實踐環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容之一, 是學(xué)習(xí)專業(yè)技術(shù)課所需的 必要教學(xué)環(huán)節(jié)。 通過課程設(shè)計的教學(xué)實踐, 使我們所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識得 到鞏固, 并使我們得到運用所學(xué)理論知識解決實際問題初步訓(xùn)練; 課程設(shè)計的我 們應(yīng)接觸和了解實際局部設(shè)計,從收集資料、方案比 較、計算、繪圖的全過程, 進(jìn)步提高我們析、 綜合能力以及工程設(shè)計中計算和繪圖的基本能力, 為今后 的畢業(yè)做好準(zhǔn)備。通過這次課程設(shè)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(diào)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(shè)計與裝配

35、、 調(diào)試, 提高自己的動手能力, 鞏固已學(xué)的理論知識, 建立傳感器的理論和實踐的結(jié)合, 了解多功能傳感器各單元電路之間的關(guān)系及相 互影響,從而能正確設(shè)計、計算各個單元電路。1.3 課題研究的內(nèi)容本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計傳感器, 在實際生活中廣泛應(yīng)用。 電容式傳感器是將 被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化, 實質(zhì)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(zhuǎn)變?yōu)闃O板間距的變化, 從而導(dǎo)致電容值的變化。 通過測控電路 的放大、整流和 A/D轉(zhuǎn)換,然后利用單片機把加速的顯示出來。1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀傳感器作為一種電子產(chǎn)品, 早已廣泛應(yīng)用于各種實際場合, 但目前所使用的 傳感器有的電路較復(fù)雜不便于制

36、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(yīng)更多的實際生活需要而設(shè) 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。 在國內(nèi)外已經(jīng)開始了普遍的應(yīng) 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(xué)科學(xué)、 學(xué)技術(shù)、 學(xué)知識的手段多 種多樣, 傳感器作為一種工具, 已廣泛應(yīng)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(fù)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(jì)上可以承受, 但每年使用的次數(shù)極多, 往往因

37、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(jié)構(gòu)設(shè)計基于電容變化的原理來對加速度進(jìn)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(yīng)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(jié)構(gòu)。 因此, 對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計研究具有重要的 理論意義及應(yīng)用價值。2.1 微機械電容式加速度計的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則微機械電容式加速度計結(jié)構(gòu)的設(shè)計要綜合考慮各項性能以達(dá)到最佳

38、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(jié)構(gòu)的設(shè)計 過程中, 除了應(yīng)滿足具有較好的強度、 易于加工和線性原則外, 還應(yīng)考慮一下一 些原則:(1 同向性原則:當(dāng)硅微結(jié)構(gòu)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(shè)計原則:靈敏性設(shè)計是指在硅微結(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)微機械電容式加速度計主要有三種結(jié)構(gòu), 即三明治擺式加速度計結(jié)構(gòu)、

39、蹺蹺 板擺式加速度計和梳齒式微加速度計。(1 三明治擺式電容加速度計三明治擺式電容加速度計又稱為懸臂梁式硅微機械加速度計(Cantilever Beam Micromachined Silicon Accelerometer, CMSA ,是一種夾層結(jié)構(gòu)的微機 械加速度計,因動極板被夾在固定極板中間形似三明治(Sandwich 而得名。該 結(jié)構(gòu)相對比較簡單, 電容可動極板由中間的敏感質(zhì)量硅擺片的上下兩面用電鍍的 方法制成, 與相對應(yīng)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(dāng) 質(zhì)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(dǎo)可知差動電容的大

40、小和加速度在質(zhì)量塊位移較小的情況下成近似 線性比例關(guān)系。 但是該結(jié)構(gòu)需要在敏感質(zhì)量塊上進(jìn)行雙面光刻, 要求工藝設(shè)備較 多,工藝難度較大。如果排除加工難度的因素,這種結(jié)構(gòu)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(xué)以及日本日立公司和東北大學(xué)均采用體加工法,分別研制成功該結(jié)構(gòu) g 級的高精度微機械加速度計,表頭為玻璃硅玻璃或硅硅硅三明治結(jié)構(gòu)。 (2 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 (Pendulous Microma

41、chined Silicon Accelerometer , PMSA ,因敏感質(zhì)量繞著彈性梁扭轉(zhuǎn)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(zhì)量與下面的玻璃基片之間形成差動檢測電容。 由于質(zhì)量片分別位 于承扭梁兩邊的質(zhì)量和慣性矩不相等,所以當(dāng)存在垂直于質(zhì)量片的加速度輸入 時,質(zhì)量片將繞著支撐梁旋轉(zhuǎn),從而使相應(yīng)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(diào)后作為反饋信號加給力矩

42、器電容極板, 產(chǎn)生靜電力, 使得極板間的轉(zhuǎn)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(guān)系。 (3 梳齒式電容加速度計梳 齒 式 硅 微 機 械 加 速 度 計 (Finger-shaped Micromachined Silicon Accelerometer ,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(jié)構(gòu)。 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(jié)構(gòu)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

43、大的電容以提高分辨率, 而且可以制作反饋結(jié)構(gòu)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(shù)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(yīng)用。2.3 電容式加速度傳感器設(shè)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(zhì)量元件是一個為 H 形的雙側(cè)數(shù)尺結(jié)構(gòu), 相對于固定活動敏感質(zhì)量元件的基片懸空并與基片平行,與兩端撓性梁結(jié)構(gòu)相 連,并通過立柱固定于基片上。每個梳齒由中央質(zhì)量桿(齒樞向其兩側(cè)伸出可 以運動,稱為動齒(動指 ,構(gòu)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(gòu)成可變電容的一個固定電極

44、,定齒動齒交錯配置形成差動 電容。利用數(shù)尺結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)如圖 2.1所示, 每組定 齒由型齒和兩個 L 型齒組合而成, 每個動齒與一個型定齒和一個 L 型定齒交

45、 錯等距離配置形成差動結(jié)構(gòu)。 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(dāng)?shù)摹?但由于表面加工得到的梳齒式結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jié)構(gòu)的梳齒 電容加速度計。 圖 2.1 表面加工定齒均勻配置梳齒式電容加速度計的結(jié)構(gòu)示意圖2.3.2 體硅加工定齒偏置結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖 2.2所示、 與表面加工的 定齒均置的結(jié)構(gòu)有所不同, 定齒為單側(cè)梳齒式結(jié)構(gòu); 以敏感質(zhì)量的縱向?qū)ΨQ軸為 界, 左右兩側(cè)

46、結(jié)構(gòu)對稱。 上下相對的定齒是電連通的, 左側(cè)定齒的電極性與右側(cè) 定齒的電極性相反。 敏感質(zhì)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(jié)構(gòu)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(cè)相鄰的定齒之間的間距分別為 0d 和 0D , 0D 和 0d 比值大于 5:1以上,主要敏感距離小的一側(cè)形成的電容量, 可忽略距離大的一側(cè)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(jié)構(gòu)示意圖兩側(cè)的形定齒 1S 、 2S 為左右對稱的檢測齒,構(gòu)成檢測電極,分別與動齒形成 2s n 對差動檢測電容, 如圖 2.

47、3所示。 L 型定齒 1F 、 2F 為左右對稱的加力齒,構(gòu)成加力電極,與動齒形成 2f n 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 1s C 與 2s C 和一對差動加力電容 1f C 與 2f C 。 圖 2.3 差動電容簡化示意圖2.3.3 體硅加工定齒偏置結(jié)構(gòu)的優(yōu)點由上述敘述, 綜合起來考慮, 定齒偏置結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。下面表 2.1是兩種結(jié)構(gòu)的比較。表 2.1 定齒均置與偏置結(jié)構(gòu)的比較 2.4 電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)梁的設(shè)計結(jié)構(gòu)梁在微機械加速度計的設(shè)計中是十分關(guān)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(biāo)均

48、有密切關(guān)系,稱為微結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點之一。 微機械電容式加速度計常用的梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)梁采取何種形式的梁以及多大尺寸的梁, 是需要進(jìn)行優(yōu)化選擇和設(shè)計的。 其設(shè) 計首先要在達(dá)到目標(biāo)剛度的前提下, 應(yīng)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(jié)構(gòu)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?qū)γ舾行盘柕母蓴_。 最后, 需要二階及二階以 上模態(tài)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于檢測模態(tài)的頻率值。常見微結(jié)構(gòu)梁的結(jié)構(gòu)示意圖如

49、圖 2.4所示。 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(dāng)各 種微結(jié)構(gòu)梁參數(shù)基本相同的情況下, 比較幾種微梁結(jié)構(gòu), 同時考慮強度和制造工 藝等條件,我們可以得出各種梁結(jié)構(gòu)的自身特點。具體見表 2.2 。表 2.2 常見微結(jié)構(gòu)梁性能特點比較 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(jié)構(gòu)簡單, 自身 具有應(yīng)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(diào)節(jié)等很多優(yōu)點。并且另外一個原因是折疊梁結(jié)構(gòu)在很大的變形范圍內(nèi), 位

50、移與作用力都保持線性關(guān)系。當(dāng)折疊梁內(nèi)外兩臂長不同時,在應(yīng)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(shè)計選取方案, 我們有必要對梁的剛度有一定的認(rèn) 識。 我們不妨用折疊梁和雙端固定梁作比, 進(jìn)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(jié)構(gòu)示意圖在前文已表述。 由對稱性可知, 只需要分析一側(cè) 的梁就可以了。 圖 2.5即為敏感質(zhì)量一側(cè)梁的受力分析示意圖。 設(shè) AB 梁長為 2l , 寬為 b ,厚為 h ,中心點 C 受力為 P 。由于梁 AB

51、 受力情況關(guān)于 C 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(cè)受力示意圖 圖 2.6 AC段受力分析和相應(yīng)力矩圖由力學(xué)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: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 對 Z 軸的慣性矩:3/12J b h =由邊界條件及點變形條件 (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 點位移為:31( 24Pl X EJ EJ= (2-4所以雙端固支梁 (單側(cè) Y 方向的剛度為:324EJk l = (2-5 由于結(jié)構(gòu)對稱, 雙端固支梁相當(dāng)于兩個單側(cè) Y 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:3482Y EJK k l =(2-6 (2 折疊梁檢測方向的剛度采用等臂長的折疊梁結(jié)構(gòu),敏感質(zhì)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 (a (b 分別是等臂長的折疊梁結(jié)構(gòu)和受力分析示意圖采用等臂長的折

53、疊梁結(jié)構(gòu),敏感質(zhì)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(shè)梁長 ' ' ' ' , , AB CD l A B C D l =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 剛度為:此時,折疊梁相當(dāng)于兩個雙端固定直梁 AD 和 ' ' A D 的串聯(lián)。所以折疊梁檢測方向(Y 方向的剛度為:(2-8由圖 2.7可以看出, 該加速度計結(jié)構(gòu)相當(dāng)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:

54、(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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(shè)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(zhì)量塊為敏感檢測質(zhì)量, 檢測電容的一個極板制作在慣性質(zhì)量塊上有加速度作用時慣性質(zhì)量塊會沿檢測敏 感方向運動, 從而改變質(zhì)量塊上可動極板與襯底上固定極板之間的容值, 通過對' ' ' ' 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=該電容值的測量即可得到加速度的值 這種結(jié)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(yīng)用中 一般用差動結(jié)構(gòu) (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(jié)構(gòu)示意圖偏置式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)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(dāng)水平方向有加速度, 質(zhì)量塊由于慣

56、性力作用, 向水平方向有位移, 從而改變極板間距 d ,從設(shè)計結(jié)構(gòu)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(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng), 由牛頓第二定律可知等下力 學(xué)模型為:( ( (22a t kx dt t dx c dtt x d m t ma F += (2-10 Fa為外部加速度引起的沖擊力。 查閱相關(guān)資料可設(shè)計: 質(zhì)量塊的質(zhì)量 -7101.838m =kg , 彈性彈簧梁 k=101N/m, 質(zhì)量塊長度 M L =1500m 寬度 m 650=M W U 型梁長度 =U L 600m 寬度 m 10=U W U 型梁圓弧部分半徑 m 35=U R 梳齒極板長度 m 5

57、00=S L , 重合部分長度 m 450=L寬度 m 8=S W 厚度均為 H=80m 檢測動梳齒總數(shù) n=48, 初始間距 0d =4.5m 。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 圖 2.9 差動式電容簡化極板電路單個可動極板和其對應(yīng)的固定極板構(gòu)成的電容為 0000210d HL d SC C C = (2-11敏感方向有加速度作用, 敏感質(zhì)量塊受到一加速度方向相反的作用力, 使質(zhì)量塊偏離原來平衡位置,產(chǎn)生一下段位移 d ,可動極板和固定極板之間的電容 變化為:dd SC +=001 , dd SC -=002 (2-12由于采用差動式靜電力作用反饋電路,

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 空氣的相對介電常數(shù) =1,真空的介電常數(shù) 01-12m 10845. 8=F , 由設(shè)計參數(shù) 可計算得出:初始檢測電容為pF d HL d S nC C 698. 1200000= 加速度傳感器的電容靈敏度為:220137. 0-=s m pF kd Sm n a C S C 加速度傳感器的位移靈敏度為:g km a d S d 81078

59、3. 1-=質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)固有頻率: z 7. 3732212H=mkf r 極板間最大相對位移為 d=4m ,理論上計算最大測量加速度為:g s m mka 2242198d2max =- 所以理論測量范圍為 0224g。 (g=9.812-s m 2.7微機械加工工藝微電容式加速度微傳感器工藝技術(shù)是基于 MEMS 技術(shù), 它符合 MEMS 的標(biāo)準(zhǔn) 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(zhì)量塊、硅膜片極板、懸梁、襯底、襯底電極和絕緣層構(gòu)成。微加速度傳感器采 用硅 -玻璃鍵合技術(shù),核心工藝是芯片與玻璃襯底之間的鍵合技術(shù)和深反應(yīng)離子 刻蝕 ( DRIE 技

60、術(shù)。鍵合技術(shù)的目的是將不同材料、表面結(jié)構(gòu)和功能特性的圓片 鍵合到一起, 得到需要的結(jié)構(gòu)。 該設(shè)計采用陽極靜電鍵合技術(shù)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(yīng)離子刻蝕是一種特殊的反應(yīng)離子刻 蝕技術(shù),它可以加工側(cè)壁陡直的高深寬比結(jié)構(gòu)。 DRIE 具有刻蝕速度快、側(cè)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(jié)構(gòu)。傳感器的加工工藝流程如下 :( 1 選取厚度為 150 m 單晶硅片進(jìn)行熱氧化,得到 1. 5 2 m 的二 氧化硅保護(hù)層。 硅片一面涂光刻膠進(jìn)行保護(hù), 另一面涂光刻膠進(jìn)行光刻, 得到微 機械加速度傳感器的懸浮運動區(qū)域和結(jié)構(gòu)

61、懸起固定支撐區(qū)域。采用圖 6( g 掩 模板。( 2 清除硅片表面的 SiO2,采用濃硼擴散工藝對硅片進(jìn)行摻雜,使結(jié)構(gòu)能與電極形成良好的歐姆接觸, 提高傳感器性能。 由于擴散濃度和范圍主要受擴散 持續(xù)時間和擴散溫度的影響,因此需要嚴(yán)格控制擴散時間和溫度。淀積溫度約 750 ,驅(qū)入溫度約為 1 250 .( 3 制備玻璃片,濺射金屬電極層。考慮到后續(xù)的鍵合工藝,采用派萊克 司 7740 號 ( Pyrex 7740# 玻璃。 在玻璃片正面濺射一層鋁 ( Al , 厚度約 1 m .( 4 在玻璃片上金屬電極一面涂覆光刻膠,進(jìn)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

62、采用硅 -玻璃陽極對準(zhǔn)高溫鍵 合工藝進(jìn)行鍵合,溫度為 300 ,鍵合電壓為 1 kV. 由于鍵合是在高溫下進(jìn) 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(yīng) 力, 甚至導(dǎo)致破碎。 派萊克司 7740( Py-rex 7740# 號玻璃與硅片在 300 左 右時膨脹系數(shù)十分接近,因此可以使其殘余應(yīng)力較小。( 5 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(jìn)行腐蝕,將硅片減薄到 80 m . 氫氧化

63、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(diào)制解調(diào)電路經(jīng) AD 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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 1/31/2,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

64、電源下工作。 而且變壓器式電橋使用原 件比較少,橋內(nèi)阻最小,因此目前較多采用。電路圖如下: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(luò)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(guān), 而與放大器本身參數(shù)無關(guān), 因此增益的精度和穩(wěn)定性都很高。 在實際應(yīng)用中, 常 選 RC 串 -并聯(lián)電路的 R1=R2=R, C1=C2=C, 所以在 f=1/2RC這個頻率上, RC 移相網(wǎng)絡(luò)相位

65、移為零,而 R82Rf ,滿足振蕩條件。選 R=240k, C=330pF,則 得到振蕩頻率為: kHz RC f 2103301024014. 32121123=-圖 3.3穩(wěn)幅文氏振蕩器為實現(xiàn)自動穩(wěn)幅的目的,在運算放大器輸入端加上由 R 8、 R 4和場效應(yīng)管 VT 組成可控負(fù)反饋電路。對場效應(yīng)管要求工作在線性電阻區(qū),只有在 U DS 較小時, 它的 R DS 差不多隨柵源電壓 V GS 線性變化,宛如一只良好的壓控線性電阻,阻值可 調(diào)范圍約為 400100M ,當(dāng)幅值較大時, RDS 應(yīng)自動增大以加強負(fù)反饋,這 個作用由整流二極 D1,濾波電路 R 7、 R 6、 C 5及場效應(yīng)管 VT

66、 組成。當(dāng)幅值較小時, C5上的電壓 V C5逐漸減小,導(dǎo)致 R DS 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(diào)節(jié) R 6可改變輸出電壓的大小,一 般將輸出電壓調(diào)節(jié)在 35V 之間。 3.3 儀用放大器在許多檢測技術(shù)應(yīng)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(xí)慣上稱為儀用放大器, 如圖 3.5所示。 圖 3.5 儀用放大器電路圖儀用放大器從電路結(jié)構(gòu)可知, 這是一種同相并聯(lián)差動放大器, 其對稱性結(jié)構(gòu) 使整個放大器具有很

67、高的共模抑制能力, 特別是適用于長距離測量。 其數(shù)學(xué)模型 為: (1(2102153O O O U U R R R R R U -+= (3-1令電路參數(shù)對稱 R=R3=R5=R4=R6=16k , 即 R1=R2=40k。 帶入 (16整理得:所以增益為: 012i 1i 21K R R U U U O +=-= (3-2 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(yuǎn)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(dāng)被測

68、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(jìn)行 放大, 為了恢復(fù)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(zhuǎn)換成 正比于傳感器電容 C 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,當(dāng)輸入電壓 V i 為正半周期時, U 4反相, D2截至, D1導(dǎo)通, U 4輸出為零,R 11 =R12=20k , U 5的電壓放大倍數(shù)為 R 10 /R9=-1,則輸出信號為:V o =V1。當(dāng)輸入電壓 V i 為負(fù)半周期時,經(jīng) A 4反相, D2導(dǎo)通, D1截至,經(jīng) R 10 , U4輸出為 -V i ,選擇合適的電阻 R 11 、 R 11使 R 11 =2

69、R11經(jīng)過 R 11 過來的電壓疊加后輸出信號 V 0為: Vo =V1。 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(shè)截止頻率為 fp=10kHz, Q=0.707。由此 可設(shè)計 圖 3.7低通濾波電路圖R13=R14=1.6K,C4=C5=0.01F,R16=5K,R17=3K。則帶寬為 010Hz 。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(zhuǎn)換片與單片機 80C52連接, 這樣

70、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(shù)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(jié)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(dǎo)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(jié)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(jié)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(dāng)加速度上升到某個值的時候, 傳感 器才開始有顯示, 這時候?qū)嶒灲Y(jié)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