硅微电容式加速度传感器结构设计
11998-11-26收稿;1999-01-25定稿
o本刊通讯编委
第20卷第4期
半 导 体 光 电
Vol.20No.4
1999年8月
Semiconductor Optoelectronics
Aug.1999
文章编号: 1001-5868(1999)04-0237-04
硅微电容式加速度传感器结构设计
1
吴 英,江永清,温志渝o,胡 松
(重庆大学光电工程学院,重庆400044)
摘 要: 通过建立传感器的力学模型,对硅微电容式加速度传感器的特性作了详细的分析与讨论,为系统结构的优化设计提供了理论基础。
关键词: 硅微机械 电容式加速度传感器 PWM 调制中图分类号: TP212 文献标识码:A
Structure optimization design of silicon micro capacitive accelerometer
WU Y ing,JIAN G Y ong-qing,WEN Zhi-yu,HU Song
(Optoelectronic Engineering C ollege,C hongqing University ,Chongqing 400044,China)
Abstract: In this paper,the property of silicon micro capacitive accelerometer is analyzed and discussed by establishing the model of sensor,laying the foundation for optimization design of sensor system structure.
Keywords: silicon m icromachine,capacitance-ty pe accelerometer,PWM modulating
1 引言
硅微力平衡电容式加速度传感器是在电容式加速度传感器的基础上发展起来的,以牛顿第二定律为理论基础,通过检测电容变化从而测得系统所承受的加速度的大小。在这种检测模式下,传感器的性能主要由梁和质量块的结构决定,在质量块一定的情况下,梁越长,传感器的灵敏度越高;在梁长一定的情况下质量块越大,传感器越灵敏。由此,在传感器几何尺寸一定的情况下,通过对传感器的静态特性、动态特性以及测量范围的分析,可实现传感器结构的优化设计。
脉宽调制(PWM )的硅微力平衡电容式加速度传感器的工作原理如图1所示,该传感器是由动极板和上下定极板构成的硅敏感元件。上下定极板是淀积有薄膜电极的玻璃,动极板是带质量块的硅微悬臂梁结构(利用硅的表面加工和体加工技术形成)。
图1 加速度传感器工作原理图
F ig.1Schematic diagram of w orking principle of accelerometer
硅微力平衡电容式加速度传感器受到加速度作用时,动极板将偏离其中心平衡位置,使上下极板与中间动极板所构成的电容值发生变化,通过电容差值检测电路,输出与动极板位移成正比的电压,利用脉宽调制电路产生控制动极板平衡的脉冲反馈信号,改变该反馈信号的脉冲宽度可以改变作用在动极板的静电力(静电力与脉冲宽度成正比),使动极板保持在中间平衡位置。
传感器系统的传递函数框图如图2所示。当增益较大频率较低时,传递函数为[1]
W (s)=D (s)a(s)=
2m d 2
E A V 2h
(1)
式中,m 为动极板的质量,d 为动极板与定极板之
间的距离,E 为气体介电常数,A 为电极板面积,V h 为脉宽调制信号的电压峰值。图2中,a 为传感器的加速度,K 和k z 分别为系统的阻尼系数和刚度,s 是拉普拉斯常数,D 为脉宽调制信号的占空
比。
图2 传递函数框图Fig.2 Diag ram o f tr ansfer function
2 静态特性分析
加速度传感器的静态特性(灵敏度)由质量块和
梁的刚度决定。在加速度作用下,如图3所示的两种结构的加速度传感器,会产生不同的运动形式。由悬臂梁结构支撑的质量块会产生一定的倾斜,而四梁结构支撑的质量块只作平移运动(分析中我们认为质量块是刚体,不产生形变)
。
(
a)
(b)
(a)双悬臂梁结构;(b)四梁结构图3 两种结构的加速度传感器
(a)Double cantilever support;(b)Four-beam support
Fig.3 T wo kinds of accelerometer
2.1 双悬臂梁结构的灵敏度函数
由图4(a)所示的双悬臂梁结构的力学分析简
图可知扰曲线为
[2]
y (x )=-12M EI
x 2-16F EI x 3
0[x [l b (2)式中,E 为扬氏模量,I 为惯性矩。
质量块的位移曲线:
y m (x )=y x =l 1+y .x =l 1(x -l 1)=
2mal 1
Eb 1h 31
[3ll 1-l 2
1+(6l -3l 1)@ (x -l 1)] l 1[x [l 2
(3)
式中,b 1为梁宽,h 1为梁厚。由电容式传感器的特
点,可得灵敏度S :
S =
6m d (l 2-l 1)(2ll 1-l 2
1)Eb 1h 31
(4)
2.2 四梁结构的灵敏度函数
由图4(b)所示的四梁结构的力学分析简图,可
得质量块在竖直方向上的位移为:
z =
ma k z
k z =4Eb 1h 31
l 3
1
(5)
同理,可得其灵敏度S :
S =
m 2d l 31
Eb 1h 31
(6)
(a)
(b)
(a)双悬臂梁结构;(b)四梁结构
图4力学分析简图
(a)Double cantilever support;(b)Four -beam suppo rt
Fig.4 Scheme of for cing analysis
在质量块长度一定的情况下,可得传感器的灵敏度-梁长,灵敏度-梁厚的关系曲线如图5(a),(b)所示。由上述分析可知传感器的灵敏度与梁的几何结构和质量块的几何长度有一定的关系;悬臂梁结构的传感器,其灵敏度远远高于四梁结构的传感器。通过力学分析,我们还能得到梁所受的应力应变与传感器的结构的关系。
3 动态特性分析
传感器的动态特性主要由传感器的频率特性决
238 半 导 体 光 电 1999年8月
定。传感器在检测高频信号时,受阻尼和梁的内力影响较大,使得质量块位移减小,输出信号幅值减小,从而限制了传感器检测加速度信号的带宽。传
感器的固有频率决定了响应频带的宽度。
图5 灵敏度随梁长及梁厚的变化
F ig.5 Cur ves of sensitivity vs beam length and beam thickness
3.1 双悬臂梁结构的固有频率
悬臂梁结构的传感器可以将质量块折合到梁端来考虑系统的固有频率。由瑞利-瑞兹理论,我们可得[3]
f 211=3.515
2
EI
m b l 31
(7)
f 222=3
EI m s l 31
(8)
式中,f 11为梁本身的频率,m b 为梁的质量,f 22为
质量块在梁端的自然频率,m s 为质量块折合到梁端
的质量。
由式(7)和式(8),可得系统的自然频率f 1:
f 2
1=f 211f 222
f 2
11+f 222
(9)
3.2 四梁结构的固有频率
四梁结构的传感器,其运动模型可描述如下
[4]
:
m d 2z d t
2+K d z
d t +k z z =ma
(10)
式中,z 为质量块在垂直方向上的位移。由式(10)可得固有频率f :
f =
12P
k z M
(11)
式中,M 为m b 和m s 之和。
由式(11)可得如图6(a),(b)所示的关系曲线。传感器的几何结构同样也决定了传感器的动态特性和频率响应的带宽。
图6 频率随梁长及梁厚的变化
Fig.6 Curves of fr equency vs beam length and beam thickness
4 传感器测量范围分析
由公式(1)可得传感器的测量范围上限-动极板与定极板间隙的关系曲线如图7所示。
由图7可知,加速度传感器的测量范围上限与
外加电压的平方成正比,而与传感器的动定极板间
239第20卷第4期 吴 英等: 硅微电容式加速度传感器结构设计
的距离成反比,从而可根据测量范围的要求确定电
容式加速度传感器动定极板间的距离。
图7 传感器测量范围与间隙的关系曲线
F ig.7 Curv es of measuring r ange vs the gap betw een movable
plate and fix ed plate
5 结论
由上述分析可知,四梁和双悬臂梁结构传感器
的灵敏度随梁厚的减小而增大,而固有频率随梁厚减小而减小,传感器的测量范围随动、定极板间的间隙增大而减小。根据传感器的应用要求,结合半导体加工工艺,对悬臂梁结构的传感器,确定其梁长为1200L m,梁厚为10L m,梁宽为200L m,质量块为2000L m @2000L m,质量块厚为200L m 。同理,也可对四梁结构的加速度传感器进行结构设计。根据以上设计,已研制出了四梁和双悬臂梁结构的加速
度传感器样品。
综上所述,传感器的结构与性能之间有着密切的关系,由此我们可对传感器的性能进行理论上的
模拟,确定传感器的结构参数,以满足其对灵敏度、频率响应及测量范围的要求,实现传感器的结构优化设计。
参 考 文 献
[1] Suzki S,T uchitani S,Sato K et al.Semiconductor capac-i
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吴 英 女,1972年4月出生,讲师。1996年至1999年就读于重庆大学光电工程学院精密仪器及机械专业,主要从事微型机械和传感器的研究。现为该校精密仪器及机械专业博士研究
生,主要从事微型机电系统的研究。
240 半 导 体 光 电 1999年8月
型高灵敏度横向电容式硅微加速度计
第３卷第４期２００５年１２月 纳米技术与精密工程 ＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖ０１．３Ｎｏ４ Ｄｅｃ２００５一种新型高灵敏度横向电容式硅微加速度计 宋飞，王欣，王奕松，陈兢 （北京大学微电子学研究院，北京１００８７１） 摘要：提出了一种新型高灵敏度横向电容式硅微加速度计．根据差分电容极板间正对面积的改变来检测加速度走小，保证输出电压与加速度之间的线性度系统刚度可由静电力调节为了提高电学灵敏度，在检测电容极板上设计高Ｋ介质层，增大了检测电容量，减小了杂散电容的影响使用ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ对本设计进行机械分析、力电耦合分析和模态分析，仿真结果与理论计算相吻合加速度计使用简单的表面牺牲层工艺即可完成，具有很好的发展前案． 关键词：微机电系统；横向敏感；刚度调节；高Ｋ介质；电容式加速度计 中图分类号：ＴＮ８２４４文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—６０３０（２００５）０４—０２８３—０７ ＡＮｏｖｅｌＴｕｎａｂｌｅＬａｔｅｒａｌＳｅｎｓｉｎｇＣａｐａｃｉｔｉｖｅＳｉｌｉｃｏｎＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ＡｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｗｉｔｈＨｉ曲Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ＳＯＮＧＦｅｉ，ＷＡＮＧＸｉｎ，ＷＡＮＧＹｉ?ｓｏｎｇ，ＣＨＥＮＪｉｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ０ｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＰｅｋｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｏｖｅｌｌａｔｅｒａｌｓｅｎｓｉｎｇｃａｐａｃｉｔｉｖｅｓｉｌｉｃｏｎａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ｈａｖｉｎｇｔｕｎａｂｌｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｂｙｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｆｏｒｃｅ．ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｉｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｍｏｄｉｆｙｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｏｖｅｒｌａｐａｒｅａ０ｆａｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｃａｐａｃｉ－ｔｏ。ｐａｉｒａｎｄｔｈｅｌｉｎｅａｒｉｔｙｂｅｔｗｅｅｎｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｉｓｅｎｓｕｒｅｄ．Ｔｏｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ．ｈｉｇｈＫｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｌａｙｅｒｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｓｅｎｓｉｎｇｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ．ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ－ｅｌｅｃ—ｔｒｉｃａｌｃｏｕｐｌｅｄａｌｌａｌｖｓｉ８ａｎｄｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈ ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｌｅｍａｔｃｈｅｄｖｅｒｙｗｅｌｌｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．Ｉｔｉｓａｓｉｍｐｌｅｓｕｒｆａｃｅｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｇｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｆｌｏｗｔｏｓｅｔ“ｐｔｈｅａｃｃｅｌｅｒｏ—ｍｅｔｅｒｗｉｔｈａｇｏｏｄｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ；ｌａｔｅｒａｌｓｅｎｓｉｎｇ；ｓｔｉｆｆｎｅｓｓｔｕｎｉｎｇ；ｈｉｇｈＫｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ；ｃａｐａｃｉｔｉｖｅａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ 加速度计是重要的惯性仪表之一，广泛应用于惯性导航与制导系统、高技术武器和安全气囊等领域．从２０世纪９Ｄ年代开始，微加速度计得到了迅速发展，出现了基于多种物理效应的加速度计，如电容式、隧道电流型、压阻式、压电式和热对流式等．目前各国的微机械加速度计的研究方向主要集中于高分辨率、多轴集成和数字化输出三个方面“１．多轴集成的加速度计虽然只是发展的一个方向，但需要三个谐振频率相近且相互正交的工作模态来检测三个轴向的加速度计，由于三个模态间的相互干扰及较高的偏轴灵敏度问题，加之工艺复杂，故限制了其实现．最简单的三轴加速度计可以将三个单轴加速度计相互正交地制作于同一硅衬底上…，故本文主要研究单轴微加速度计．电容式硅微加速度计由于物理机制明确、敏感器件制作简单且不受温度影响，其研究最为透彻，是目前设计的主流． 本文提出了一种新型横向电容式微加速度传感器，利用电容差值与极板正对面积的线性关系来检测加速度，以确保系统在大范围内的线性度．传感器采用梳齿差分形式的检测电容，可以较好地抑制外界干扰，降低偏轴灵敏度．此外，还利用ＭＥＭＳ静电驱动中的弹簧软化（ｓｐｒｉｎｇｓｏｆｔｅｎｉｎｇ）”ｏ现象，调整系统刚度到期望值．为了减小寄生电容对灵敏度的影响，采用溅射高Ｋ介质的方法来增大检测电容值，以提高加速度计的 收稿日期：２００５．０９－０９． 作者简介：宋飞（１９８２），男Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｏｎ出ｌ＠ｉｍｅｐｋｕｅｄｕｃｎ 联系人：陈兢（１９７４一），男，副教授Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｃｈｅｎ＠ｉｍｅ．ｐｋｕｅｄｕ．Ｃ１３．
压力传感器原理及应用-称重技术
压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分,由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电 信号作输出,给显示仪表显示压力值,或供控制和报警使用。 压力传感器的种类繁多，如压阻式压力传感器、应变式压力传感器、压电式压力传感器、电容式压力传感 器、压磁式压力传感器、谐振式压力传感器及差动变压器式压力传感器，光纤压力传感器等。 一、压阻式压力传感器 固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器，就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片 受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。 压阻式具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。 1、压阻式压力传感器基本介绍 压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式应变片，称为半导体应变片，因此 应变片制成的传感器称为半导体应变式传感器，另一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩 散电阻，以此扩散电阻的传感器称为扩散型压阻传感器。 半导体应变式传感器半导体应变式传感器的结构形式基本上与电阻应变片传感器相同，也是由弹性敏感元件等三部分组成，所不同的是应变片的敏感栅是用半导体材料制成。半导体应变片与金属应变片相比，最 突出的优点是它的体积小而灵敏高。它的灵敏系数比后者要大几十倍甚至上百倍，输出信号有时不必放大 即可直接进行测量记录。此外，半导体应变片横向效应非常小，蠕变和滞后也小，频率响应范围亦很宽， 从静态应变至高频动态应变都能测量。由于半导体集成化制造工艺的发展，用此技术与半导体应变片相结 合，可以直接制成各种小型和超小型半导体应变式传感器，使测量系统大为简化。但是半导体应变片也存 在着很大的缺点，它的电阻温度系统要比金属电阻变化大一个数量级，灵敏系数随温度变化较大它的应变 —电阻特性曲线性较大，它的电阻值和灵敏系数分散性较大，不利于选配组合电桥等等。 扩散型压阻式传感器扩散型压阻传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性材料，取向不同时特性不一样。因此必须根据传感器受力变形情况来加工制作扩散硅敏感电阻膜片。 利用半导体压阻效应，可设计成多种类型传感器，其中压力传感器和加速度传感器为压阻式传感器的基本 型式。 硅压阻式压力传感器由外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成。硅膜片是核心部分，其外形状象杯故名硅杯，在硅膜上，用半导体工艺中的扩散掺杂法做成四个相等的电阻，经蒸镀金属电极及连线，接成惠斯登电桥 再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系数相连接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应力应变，从而使扩散电阻的电阻值发 生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，其大小就反映了膜片所受压力差值。
微加速度传感器的研究现状及发展趋势
微加速度传感器的研究现状及发展趋势 摘要：介绍了为加速度传感器的研究现状、基本原理及其分类和发展趋势。重点论述了为加速度传感器的特点和它在民用领域和军用领域的不同应用，并对微加速度传感器领域内一些新的进展进行了讨论，指出了微加速度传感器的发展趋势。 关键词：MEMS 微加速度传感器 应用 发展趋势 Research and Development of Microaccelerometer Abstract：The research situation, the basic principle,classification and its development trend of acceleration sensor are introduced.The characteristics and application in civil areas and military field are discussesed, and some new progress to the micro acceleration sensor field are discussed.The development trend of micro acceleration sensor is proposed. Keywords：MEMS Micro acceleration sensor Applications Development trend 0前言 20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。 加速度计面世后一直作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导系统中，与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起受到重视。这时候的加速度计整个都很昂贵，使其他领域对它很少问津。 这种状况直到微机械加速度计(Micro Mechanical Accelerometer，MMA)的问世才发生了改变。随着微机电系统技术的发展，微加速度计制作技术越来越成熟，国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。微加速度计与通常的加速度计相比，具有很多优点：体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域，具有广阔的应用前景。 当前国内在加速度技术上仍沿用传统的压电技术，精度停留在5×10-5g水平上，而且尺寸偏大，重量偏重，影响我国惯导技术的先进性。近年来国内虽然有多个单位MEMS微加速度计进行了研究，但在精度上仍未取得突破，大体上只能达到10-1g的水平。 1微加速度传感器概述及发展现状 1.1微加速度传感器的工作原理 MEMS加速度传感器是以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础，在单晶硅片上制造出来的微机电系统，包括微机械加速度计、微机械陀螺仪和微惯性测量组合(MIMU)。微加速度传感器的工作原理是经典力学中的牛顿定律，其功能是测量运动物体(如车辆、飞机、导弹、舰艇、人造卫星等)的质心运动和姿态运动，进而可以对运动物体实现控制和导航。MEMS微加速度传感器与非MEMS为加速度传感器相比，其体积和价格可减少几个数量级，对国防具有重大战略意义。基于MEMS加速度传感器建低成本、高性能的微型惯性导航系统正在成为当前惯性技术领域的一个研究热点。
电容式加速度传感器
加速度测量系统 机自111班孙文龙 201100314128
摘要 现代科学技术日新月异，特别是电子测量技术的发展使加速度测量得到迅速发展。目前各种领域中的加速度测量几乎都是电气式的。其特点是动态范围宽、科员距离测量、易于微机相结合进行参数分析、数据处理、趋势分析及实现故障监测与控制。尤其在瞬态、冲击和随机振动等复杂参数的测量中电子加速度计几乎是为唯一的测量手段。 随着科学技术的不断发展，自动化智能化一步一步走入人们生活中的每一个角落。然而自动化与智能化的实现无疑离不开传感器。在传感器这个大家族之中，电容式传感器又占有举足轻重的位置。电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。 本次实验设计了一电容式测量加速度的传感器。利用滑块的惯性和弹簧的弹力带动介子的移动。介子的移动是电容的电容量发生变化，这个电容的变化转变为电流的变化。通过运算放大器的作用，把信号放大。再通过A/D转换把信号转变为数字量，最后显示在屏幕上。 关键词：电容式加速度传感器；信号放大；变介电常数。
电容式加速度传感器的特点及其背景传感器是一种应用非常广泛的设备，在各种自动控制过程中，它能迅速客观地反映 出实际情况。电容式传感器有很多，但原理相同。平行板电容器的电容C跟介电常数ε成正比跟正对面积成反比根极板间的距离d成反比有：C=εS/4πkd 式中k为静电力常量。通过改变介质，极板距离，极板正对面积，这三个参数之一使传感器的电容发生变化，再通过电荷放大器，将电容变化或电量变化转换成容易用电路处理电压或电流量。这就是电容式传感器的特点，通过上面的原理可以做成很多传感器，比如测长度的，测角度，测空气粉尘，空气湿度，还有声音，振动等，精度很高，比如测振动的精度可以达到零点零几个微米。但是测长度的线性度不好，需要通过电路矫正，还有容易受到电路中的寄生电容的影响，所以电路设计的时候要很注意。 把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图）。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA/δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。 70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。 测量物体相对于大地或惯性空间的运动，通常采用惯性式传感器。惯性式传感器种类很多，用途广泛。加速度传感器的类型有压阻式、压电式和电容式等多种，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。而电容式加速度传感器实际上是变介电常数电容式位移传感器配接“聍忌一c”系统构成的。其测量原理是利用惯性质量块在外加速度的作用下与被检测电极间的空隙发生改变从而引起等效电容的变化来测定加速度的。 本次实验利用惯性原理，加速的变化使滑块动作，从而带动介子移动。使电容的介电常数发生改变，通过测量这个介电常数的变化进一步反映加速的大小以及方向。 实验的目的和意义 通过这次实验,掌握传感器的工作原理,了解简单多功能传感器组成原理，初步掌握多功能传感器的调整及测试方法，提高动手能力和排除故障的能力。同时通过本课题设计与装配、调试，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立传感器的理论和实践的结合，了解多功能传感器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算各个单元电路
硅微加速度计调研报告
I. 近十年硅微电容式加速度计发展综述 I.1. 概述 MEMS加速度计具有非常广泛的应用，由于其批量制造低成本的特性，在过去的若干年广泛应用于消费电子市场，取得了巨大的成功。然而MEMS加速度计的发展并不止步于此，新的研究成果不断出现，使人们相信MEMS加速度计不仅能在其擅长的小型化低成本低功耗方向更进一步，而且还具有冲击中高性能应用的潜力。 MEMS电容式加速度计主要有两种实现形式，一种是面内检测(In-plane)，另外一种是面外检测(Out-of-plane)，也就是z轴敏感的加速度计。而两者对比见下表所示：
同时在04年以前的工作中，硅微加速度计的精度在不断提高，同时面内和面外敏感的加速度计由于其各有特点，应用目标也不尽相同，因此都取得了很大的进步。下图为04年前电容式加速度计的发展趋势，可以看出面外传感的加速度计在性能上相对面内传感的结构有优势。同时加速度计的性能也在按照类似摩尔定律的规律提升。
从05年到15年，硅微电容式加速度计又经历了一段发展时期，展现出了两条相对独立的发展路线，逐渐诞生了一些产品可以适用于高端应用领域。同时也在低成本方面有了进一步的突破。 I.2. 主要团队成果介绍 A. Colibrys 结构简介：其目标定位实现一系列高性能MEMS加速度计，可能用于飞行器航姿稳定系统以及更严格的空间应用。因此采用了面外敏感（z轴敏感）的原理来实现高精度加速度计。该公司代表性产品RS9000系列采用了一种三层硅的结构，如下图所示： 每层硅片采用DRIE（深反应离子刻蚀）技术实现了非常厚的检测质量，从而降低了结构的布朗噪声。提高了分辨率。 该三层结构中，顶层和底层为固定电极。中间层为检测质量和支撑系统，同时三层硅通过一种Silicon Fusion Bonding（SFB）的键合技术连接在一起，保证了不同硅片之间的平衡性，同时也可以实现一个密封的腔体，从而能够控制结构所处环境的气体阻尼。 最新动态：在这个基础上，colibrys 2012年发表的文章介绍了一款导航级Sigma-Delta MEMS加速度计。该加速度计接口部分使用前放和ADC，其余电路全部在数字中完成。同时，采用闭环结构，降低了结构等效噪声和量化噪声，同时提高了结构的线性度，保证了振动环境下的性能。
压力传感器的分类及应用原理
压力传感器的分类及应用原理 教程来源：网络作者：未知点击：28 更新时间：2009-2-16 10:11:30 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用 1、应变片压力传感器原理与应用 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 金属电阻应变片的内部结构 如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m） 我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情2、陶瓷压力传感器原理及应用 抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。 陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。 3、扩散硅压力传感器原理及应用 工作原理 被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一
压力传感器工作原理
压力传感器 压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 1、压阻式压力传感器原理与应用： 压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。压阻式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。 压阻效应 当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。 压阻式压力传感器结构 压阻式压力传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。
中文翻译-电容式硅微机械加速度计系统的特性研究
电容式硅微机械加速度计系统的特性研究 摘要: 微硅电容式加速度计是目前微硅加速度传感器发展的主流,影响其性能有多方面的因素。现详细分析了电容式微加速度计敏感模态的工作原理,阐述了不同情况下提高加速度计静态灵敏度所应采取的措施,给出了加速度计三种振动模态的谐振频率与结构参数之间的关系,通过对加速度计集总模型分析,得到了反映和影响加速度计性能的阻尼、灵敏度、分辨率和吸附电压等关键物理量的具体表达形式。从而可知,加速度计的性能和梁的尺寸,检测质量块质量、极板面积、开孔数目等因素有关。 关键词: 微加速度计，模态，灵敏度 0 引言 微机电系统(Micro Electron Mechanical Systems ,MEMS) 技术是近20 年来发展起来的一个新兴技术领域,是人们用以在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。微加速度计是MEMS 的重要内容。硅微加速度计以其优良的机械和电气性能越来越受到人们的重视。全硅加速度计已成为加速度传感器技术的重要研究方向。微硅加速度计,按检测原理可分为压阻式、谐振式、电容式等形式。其中,电容式加速度计具有精度高、噪声特性好、漂移低、温度敏感性小、功耗低、结构简单等优点。逐渐成为微硅加速度传感器的发展主流。本文在分析电容式加速度计敏感模态工作原理的基础上,较全面地分析了影响电容式加速度计性能的各种因素,为研制高量程、高精度、高灵敏度的电容式加速度计提供了理论依据。 1 工作原理和模态分析 1. 1 工作原理 图1 是一种微硅电容式加速度计的结构简图。加速度计的敏感部分由一个检测质量块和挠性梁组成。检测质量块通过挠性梁与单晶硅基底(固定端)相连,并被支悬在
微加速度传感器概述_微机电系统设计学
《微机电系统设计学》读书报告 ——微加速度传感器概述查阅资料前，预计要解决的问题： 1)微加速度传感器的产生 2)微加速度传感器相比于传统传感器存在的优势 3)微加速度传感器工作原理 4)微加速度传感器主要有哪些类型，不同类型的特点 5)不同类型的微加速度传感器大致结构和工作机制 6)微加速度传感器主要应用及其发展趋势和前景 7)国内外微加速度传感器的发展 查阅的主要书籍及论文如下： 1.刘昶等微机电系统基础[M] 北京：机械工业出版社，2007 2.李德胜等MEMS技术及其应用[M] 黑龙江: 哈尔滨工业大学出版社，2002 3.傅建中等微系统原理与技术[M] 北京：机械工业出版社，2005 4.刘好等微加速度传感器的研究现状及发展趋势[J] 光学精密工程2004,12(3)： 81-86 5.李圣怡等微加速度计研究的进展[J] 国防科技大学学报2006（04）：34-37 针对预期解决的问题，对查阅的资料进行整理。 一、微加速度传感器概述 自19世纪产业革命以来，传感器作为检测单元不断用于改善机器系统的性能和提高系统的自动化程度。随着MEMS技术的不断发展，特别是其加工技术，如蒸镀、刻蚀，微细加工的进步，过去很难加工的工艺变得容易了。通过蒸镀可以制成均匀的、稳定的，并可以把拾取信息的敏感部分和电路集成于一体。例如，微加工技术可在半导体材料上，利用刻蚀方法使局部厚度变成几个微米而感受压力的敏感膜，从而避免了传统的把感压膜固定在装置上而产生的诸多不稳定因素。除了敏感元件及其信号处理电路，调节机构甚至运动元件也都可以利用微加工技术集成在一起，在相对极小的空间里制作出测量和控制系统。 各种各样的微传感器已经问世，测量对象从机械量的位移、速度和加速度到热工学量的温度和基于温度特性的红外图像和流速，以及磁场、化学成分等应有尽有。同传统传感器相比，微传感器具有体积小、质量轻、功能灵活、功耗小，以及成本低廉等特点。20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。美国AD公司、美国加州大学Berkeley分校(UCB)、德国Dresden大学、
压力传感器工作原理
压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 1、应变片压力传感器原理与应用： 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 1．1、金属电阻应变片的内部结构：它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 1．2、电阻应变片的工作原理：金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m）
Si微电容式加速度计动态参数的提取
Si 微电容式加速度计动态参数的提取 郑 锋,卞玉民 (中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄 050051) 摘要:介绍了一种电容式微Si 加速度计的基本结构以及静电激振法用于电容加速度计动态参数测试的基本原理。提出了在开环条件下,采用静电激振法对该类型电容加速度计动态参数测试的电路方案。通过分析获得了扫频特性曲线和阶跃响应曲线,得到了传感器的固有频率、阻尼比。试验结果表明,采用静电激振法得到的结果与传感器设计值比较接近。可以认为,开发的动态参数测试系统是快速且有效的。 关键词:静电激励;微机电系统;加速度计;电容;动态参数 中图分类号:T H 703;T H 824.4 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2008)08-0462-04 Extraction of Dynamic Parameters on C apacitance Silicon Micro 2Accelerometer Zheng Feng ,Bian Yumin (T he 13th Research I nstitute ,C E TC,shi j iaz huang 050051,China ) Abstract :The basic st ruct ure of t he capacitive accelerometer and t he basic principle of elect ro 2static excitation were int roduced ,t hat used to determine t he dynamic parameters of t he micro 2elect romechanical system (M EMS )capacitance accelerometer A brief system wit h t he elect rostat 2ic excitatio n under t he open 2loop condition was presented.The resonant f requency and damp rati 2o were o btained by analyzing t he sweep f requency curve and step response curve of t he sensor.The exp rement result s show t hat t he dynamic parameters obtained by t he elect rostatic act uating vibration met hod are clo se to t he design values of t he sensor ,and t he system is fast and effective. K ey w ords :electrostatic excitation ;M EMS (microelectromechanical system );accelerometer ;capacitance ;dynamic parameter EEACC :2575D 0 引 言 Si 电容式加速度计是加速度计向微型化发展 的研究方向之一。90年代以后,随着微电子技术和M EMS 加工技术的发展,出现了一系列基于Si 材料的电容式加速度计。典型产品如AD 公司 ADXL 系列和恩德福克公司7290系列微Si 加速度 计等。这种加速度计具有体积小、重量轻、可靠性高、功耗小等显著优点,可广泛应用于航天、汽车、测振等领域。 提取加速度计的固有频率、阻尼比等动态参数,对传感器结构参数推算、闭环设计、动静态性 收稿日期:2008-05-29 E 2m ail :bym 107@https://www.wendangku.net/doc/b612533222.html, M EMS 器件与技术 M EMS Device &Technology
MEMS压力传感器原理与应用.
MEMS压力传感器原理与应用 摘要：简述MEMS压力传感器的结构与工作原理，以及应用技术，MEMS压力传感器Die的设计、生产成本分析，从系统应用到销售链。 关键词：MEMS压力传感器 惠斯顿电桥 硅薄膜应力杯 硅压阻式压力传感器硅电容式压力传感器 MEMS（微电子机械系统）是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。 MEMS压力传感器可以用类似集成电路（IC）设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门，使压力控制变得简单易用和智能化。传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，因此它不可能如MEMS压力传感器那样做得像IC那么微小，成本也远远高于MEMS压力传感器。相对于传统的机械量传感器，MEMS压力传感器的尺寸更小，最大的不超过1cm，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。 MEMS压力传感器原理 目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者 都是在硅片上生成的微机械电子传感器。 硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图2。 MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01%～0.03%FS。硅压阻式压力传感器结构如图3所示，上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空
电容式压力传感器采用变电容测量原理
电容式压力传感器采用变电容测量原理，将由被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电容的变化，用测量电容的方法测出电容量，便可知道被测压力的大小。 根据平行板电容器的电容量表达式 C=εA/d (3-9) 式中为电容极板间介质的介电常数；A为两平行板相对面积；d为两平行板间距。 由式(3-9)可知，改变A、d、其中任意一个参数都可以使电容量发生变化，在实际测量中，大多采用保持其中两个参数不变，而仅改变A或d一个参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变化。因此，电容量的变化与被测参数的大小成比例。 差动变极距式电容压力传感器 改变电容两平行板间距d的测量方式有较高的灵敏度，但当位移较大时非线性严重。采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因ε受温度影响引起的不稳定性。 图3-12是一种电容式差压传感器示意图。左右对称的不锈钢基座内有玻璃绝缘层，其内侧的凹形球面上除边缘部分外镀有金属膜作为固定电极，中间被夹紧的弹性膜片作为可动测量电极，左、右固定电极和测量电极经导线引出，从而组成了两个电容器。不锈钢基座和玻璃绝缘层中心开有小孔，不锈钢基座两边外侧焊上了波纹密封隔离膜片，这样测量电极将空间分隔成左、右两个腔室，其中充满硅油。当隔离膜片感受两侧压力的作用时，通过硅油将差压传递到弹性测量膜片的两侧从而使膜片产生位移。电容极板间距离的变化，将引起两侧电容器电容值的改变。 对于差动平板电容器，其电容变化与板间距离变化的关系可表示为：
C0=△d/d0 (3-10) 式中C0为初始电容值；d0为极板间初始距离；△d为距离变化量。 此电容量的变化经过适当的变换器电路，可以转换成反映被测差压的标准电信号输出。 这种传感器结构坚实，灵敏度高，过载能力大；精度高，其精确度可达±0.25％～±0.05％；可以测量压力和差压。
电容式微加速度计
电容式微加速度计 电容式微加速度计的三种常见结构： 1、扭摆式微加速度计（跷跷板式） 2、梳齿式微加速度计（叉指式） 3、悬臂梁式加速度计（三明治式） 1、扭摆式微加速度计（跷跷板式） 结构：,扭摆式微硅型加速度计由一对挠性轴; 一个板块; 一个质量块和四个电极 (二个敏感电极,二个激励电极)组成。加速度计的挠性抽在扭转方向上是很软的,而在其它方向上很硬。 工作原理：质量块在加速度作用下,产生扭矩使加速度计的挠性轴扭转,引起输出敏感电容的变化。（工作简图、计算公式） 公式中的参数：A 为敏感电极宽度; L 为加速度计板块长度; L - x 0 为敏感电极的长度。X为介电常数。 如图2 所示, 当无加速度输人时, 摆元件处于平衡位置, 每个传感器电极的极板之间间隙相等, 电容量也相等, 无电压输出。当有加速度a 输人时, 检测质量的’惯性力将对挠性轴产生惯性力矩( 即图2 中的Ma),使摆元件绕挠性轴偏转O, 导致敏感电容器的一个极板的间隙增大, 电容减小。另一个极板的间隙减小, 电容增大。将其电容值△ C 作为一个控制信号, 经后续电子线路形成加在力矩器电极( 即施力电极)上的控制电压△U。同时在力矩器的控制极板上施加偏置电压Uo。在控制电压作用下, 间隙大的电极上的电压增大而使静电吸力增大; 间隙小的电极上的电压减小而使静电吸力减小。其吸力差对挠性轴产生的静电力矩( 即图2 中的Me)作用, 以平衡由加速度产生的惯性力矩Ma。同样控制电压△u 正比于输人加速度。, 根据控制电压的大小即可测得加速度值。 式中: k。为比例系数( 由极板的结构尺寸所决定) ; kd为检测控制电路的增益( 完全由后续电路所决定) ;ku为加速度计的标度因数。 制作工艺： 步骤： 图6(a )在N 型< 100>硅片上进行氧化和挠性轴支承扩散,要求硼扩散浓度大于1×1020 图6( b )进行第一次EPW腐蚀(各向异性腐蚀)形成加速度计板块与玻璃之间的间隙D 图6( c)进行第二次浓硼扩散,为制作加速度计的质量块。 图6( d)进行第三次浓硼扩散,制作加速度计的板块 图6( e)进行第四次浓硼扩散,制作加速度计的挠性轴。 图6( f )选择7741玻璃,溅射Cr- Ti- Au,光刻形成电极及引出。 图6( g ) ,玻璃和硅片静电键合(注意对准)。
加速度传感器原理以及选用
加速度传感器原理以及选用 什么是加速度传感器？ 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。 加速度传感器一般用在哪里？ 通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是，现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。 加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。 目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。 加速度传感器是如何工作的？ 多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。 所谓的压电效应就是 "对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应 "。 一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。 在选购加速度传感器的时候，需要考虑什么？ 模拟输出 vs 数字输出：这个是最先需要考虑的。这个取决于你系统中和加速度传感器之间的接口。一般模拟输出的电压和加速度是成比例的，比如2.5V对应0g的加速度，2.6V对应于0.5g的加速度。数字输出一般使用脉宽调制（PWM）信号。 如果你使用的微控制器只有数字输入，比如BASIC Stamp，那你就只能选择数字输出的加速度传感器了，但是问题是你必须占用额外的一个时钟单元用来处理PWM信号，同时对处理器也是一个不小的负担。 如果你使用的微控制器有模拟输入口，比如PIC/AVR/OOPIC，你可以非常简单的使用模拟接口的加速度传感器，所需要的就是在程序里加入一句类似"acceleration=read_adc()"的指令，而且处理此指令的速度只要几微秒。 测量轴数量： 对于多数项目来说，两轴的加速度传感器已经能满足多数应用了。对于某些特殊的应用，比如UAV，ROV控制，三轴的加速度传感器可能会适合一点。 最大测量值： 如果你只要测量机器人相对于地面的倾角，那一个±1.5g加速度传感器就足够了。