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一文了解电容式加速度传感器的分类

发布时间:2023-09-15 浏览:1462次

电容式加速度传感器又称变电容式加速度传感器,它的结构原理如下图所示,一个质量块固定在弹性梁的中间,质量块的上端面是一个活动电极,它与上固定电极组成一个电容器C1;质量块的下端面也是一个活动电极,它与下固定电极组成另一个电容器C2。


MEMS电容式加速度计主要有三种结构,即三明治摆式加速度计结构、跷跷板摆式加速度计和梳齿式微加速度计。

基于电容变化的原理来对加速度进行检测的MEMS电容式加速度计具有制作工艺简单、温度系数小、稳定性好、阻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。

1 、MEMS电容式加速度计的结构设计原则

MEMS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MEMS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、MEMS电容式加速度计的三种常见结构

MEMS电容式加速度计主要有三种结构,即三明治摆式加速度计结构、跷跷板摆式加速度计和梳齿式微加速度计。

(1) 三明治摆式电容加速度计

三明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三明治(Sandwich)而得名。该结构相对比较简单,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采用体加工法,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—硅—玻璃或硅—硅—硅三明治结构。

(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,PMSA),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惯性矩不相等,所以当存在垂直于质量片的加速度输入时,质量片将绕着支撑梁旋转,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速度计具有灵敏度高、温度稳定性好、结构相对简单、功耗比较低、直流特性好等特点,但是容易受到电磁干扰。该类型的加速度计可以通过把若干极板面积较小的电容并连起来形成相对较大的电容以提高分辨率,而且可以制作反馈结构实现闭环控制,利于精度的提高。此外,此类型微加速度计的制作方法基本上与大规模集成电路的工艺技术相互兼容。综上便利条件,目前梳齿式微加速度计研究较多并已经得到了成功的应用。

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