(可编)电容式加速度传感器课程设计1003030304.docx

摘要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髙温,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课程设计设计了一 种基于MEMS的电容式测量加速度的传感器基于微机电系统（MEMS）技术的微机械加速度传感器具有体积小、质量 轻,启动快,功耗低.易集成、可靠性好、抗过载能力强和成本低廉等诸多优点, 在航空航天，汽车技术机器人技术、工业自动化、掌上电子产品等诸多领域得到 了广泛的应用根据其敏感信号方式，可以分为微型电容式速度传感器、微型压 阻式加速度传感器、微型压电式加速度、感器和微型隧道电流式加速度传感器等关键词：电容加速度传感器信号放大微电子机械系统目录第一章绪论1.1 课 题 研 究 的 相 关 背景 31.2 选 题 的 目 的 和 意义 41.3课题研究的容1.4国外研究现状1.5 传器目前存在的主要问第二章结构设计 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选择与优化 72.4电容加速度传感器结构梁的设计 102.5微机械电容式加速度传感器的设计参数 142. 6传感器工作原理及数据计算 -16172. 7微机械加工工艺第三章测控电路 183. 1转换电路 183. 2正弦波产生电路 193.3仪用放大器 *203・4詰磐芯海圏麟 2一 3・5流常冊麟 £ 渝冃牌排泠敵鄭 23 4.1部祎画M瀨浒 23 4・2皐沽曲浏祎淋理団雪震溢源迷浒 * 4・3糞憾冊鞍3四斗 03 遊忻*雄凄輛梯aHK 23 5・1澳湯櫛湖四3囲沛 23 5・2 3 泠W* 営 馬 源 澆 湧 調 23 漓*汗辞曲書 24 6・1釋議*海 £F 24案JIT翟 247・ 1、*辭 447・2潮瞄 £tsr 25聲沖一 26季滲2 27尋滲3 28第一章绪论1.1课题研究的相关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£成正比跟正对面积成反比根极间的距离d成反比 有：C= e S/4 H kd 式中k为靜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若忽略边缘效应平板电容器的电容为£A/6,式中£为 极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积，6为两电极之间的距离 6. A. £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.介质变化型三类极建变化型 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“m—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 速度的本课程设计利用惯性原理，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 以及方向微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanic System)是一种先进的制造 技术平台它是以半导体制造技术为基础发展起来的MEMS技术釆用了半导体 技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料，对半导体材料进行微米 或者毫米级别的加工。

随着硅微加工的迅速发展，各种器件开始出现，加速度传感器就是其中一种 运用比较成功、围较广的器件它和其它种种MEMS器件一样，具有体积小、质 量轻、成本低、功耗低、可靠性高等特点，而且因为其加工工艺一定程度上与传 统的集成电路工艺兼容，易于实现数字化、智能化以及批量生产，因而从问世起 就引起广泛关注，并且在汽车安全气囊、心脏起搏器、地震检测等方面得到了广 泛应用1.2选题的目的和意义课程设计是本专业教学实践环节的主要容之一，是学习专业技术课所需的必 要教学环节通过课程设计的教学实践，使我们所学的基础理论和专业知识得到 巩固，并使我们得到运用所学理论知识解决实际问题初步训练；课程设计的我们 应接触和了解实际局部设计，从收集资料、方案比 较、计算、绘图的全过程， 进一步提髙我们一析,综合能力以及工程设计中计算和绘图的基本能力，为今后 的毕业做好准备通过这次课程设计，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.提髙自己的动手能力，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。

1.3课题研究的容本系统釆用模块化设计传感器，在实际生活中广泛应用电容式传感器是将 被测量的变化转换为电容量的变化，实质上就是一个具有可变参数的电容 器利用滑块的移动量转变为极板间距的变化，从而导致电容值的变化通过 测控电路的放大、整流和A/D转换，然后利用单片机把加速的显示出来1.4国外研究现状传感器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种实际场合，但目前所使用的 传感器有的电路较复杂不便于制作.可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些 专用的集成块•而专用集成块的购买又很困难为适应更多的实际生活需要而 设计一个多功能传感器，这种传感器具有电路简单，元件普通，易于购买等优 点，很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题在国外已经开始了普遍的 应用1.5传感器目前存在的主要问题随着改革开放事业的不断深入，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多 种多样.传感器作为一种工具，已广泛应用于各种实际生活中但传感器器的使 用频率校高，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致作为一个单位若 专购一个传感器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极多，往往因长期使 用使（电子器件的）传感器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开 展。

但目前多数传感器存在2个不足之处：① 输出具有非线性；② 寄生电容的影响往往降低传感器的灵敏度第二章结构设计基于电容变化的原理来对加速度进行检测的微机械电容式加速度计具有制 作工艺简单、温度系数小、稳定性好、瓯尼系数容易控制等优点，因而得到了广 泛的应用电容式加速度传感器的基本参数如固有频率，非线性度，分辨率、量 程、稳定性等首先取决于其本身结构因此，对其进行结构设计研究具有重要的 理论意义及应用价值2.1微机械电容式加速度计的结构设计原则微机械电容式加速度计结构的设计要综合考虑各项性能以达到最佳的整体 性能考虑硅材料的固有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，除了应满足具有较好的强度、易于加工和线性原则外，还应考虑一下一 些原则：（1）同向性原则：当硅微结构受到各方向冲击作用时，只有某一个或某几个 方向最为敏感，其余方向则是迟钝的同向性原则可以保证被传感信息的有效性 和无干扰性<2）灵敏性设计原则：灵敏性设计是指在硅微结构空间中，微纳米量级的位 移能反映加速度的变化并能有效地用相关的电物理量（如电容量）测定出来 即有着较好的灵敏度2.2微机械电容式加速度计的三种常见绪构微机械电容式加速度计主要有三种结构，即治摆式加速度计结构、跷跷板摆 式加速度计和杭齿式微加速度计。

1）治摆式电容加速度计治摆式电容加速度计又称为悬臂梁式硅微机械加速度计（Cantilever Beam Micromachined Silicon Accelerometer, CMSA），是一种夹层结构的微机械加速 • •度计，因动极板被夹在固定极板中间形似治(Sandwich)而得名该结构相对比 较简単，电容可动极板由中间的敏感质量硅摆片的上下两面用电镀的方法制成， 与相对应的固定极板组成一组差动电容来敏感输入加速度的大小当质量块受到 加速度激励上下运动时，电容极板间距随之变化，差动电容大小发生改变，理论 推导可知差动电容的大小和加速度在质量块位移较小的情况下成近似线性比例 关系但是该结构需要在敏感质量块上进行双面光刻，要求工艺设备较多，工艺 难度较大如果排除加工难度的因素，这种结构式较理想的，可作出精度较高、 封闭性较好的加速度计在这方面的研究上，美国Litton公司、德国Litef公司、瑞士 Neuchatel 大学以及日本日立公司和东北大学均釆用体加工法，分别研制成功该结构级 的高精度微机械加速度计，表头为玻璃一硅一玻璃或硅一硅一硅治结构2) 跷跷板摆式电容加速度计跷跷板摆式电容加速度计又称扭摆式硅微加速度计(Pendulous Micromachined Silicon Accelerometer, P.MSA),因敏感质量绕着弹性梁扭转形 似跷跷板而得名。

其典型代表是美国Draper实验室于1990年研制的微机械加速 度计，其敏感质量与下面的玻璃基片之间形成差动检测电容由于质量片分别位 于承扭梁两边的质量和慣性矩不相等，所以当存在垂直于质量片的加速度输入 时，质量片将绕着支揮梁旋转，从而使相应的一对差动电容一个增大一个减小， 测量差动电容值既可得到沿敏感轴输入的加速度它的检测电路与ADXL50类似 摆片与基片之间形成差动电容由100kHz载波信号激励，输出的电压经过放大和 相敏解调后作为反馈信号加给力矩器电容极板，产生静电力，使得极板间的转角 回到零位附近加在力矩器电容极板上的平衡电压和被测加速度成线性关系3) 梳齿式电容加速度计梳齿式硅微机械加速度计(Finger-shaped Micromachined Silicon Accelerometer,简写为FMSA)因活动电极形似梳齿而得名，又称叉指式电容加 速度计，是微加速度计的一种典型结构梳齿式微加速度计是梳齿式微加。