1、湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)摘要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， 自動(dòng)化智能化一步一步走入人們生活中的每一個(gè) 角落。然而自動(dòng)化與智能化的實(shí)現(xiàn)無(wú)疑離不開傳感器。傳感器這個(gè)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過(guò)載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好和對(duì)高溫、輻 射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。 缺點(diǎn)是輸出有非線性， 寄生電容和分布電容 對(duì)靈敏度和測(cè)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(jì)設(shè)計(jì)了一 種基于 MEMS 的電容式測(cè)量加速度的傳感器。基于微機(jī)電系統(tǒng) ( MEMS) 技術(shù)的微機(jī)械加速度傳感器具有體積小、質(zhì)量 輕、啟動(dòng)快、功耗

2、低、易集成、可靠性好、抗過(guò)載能力強(qiáng)和成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)， 在航空航天、 汽車技術(shù)機(jī)器人技術(shù)、 工業(yè)自動(dòng)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(hào)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(hào)放大 微電子機(jī)械系統(tǒng)湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)目錄第一章 緒論 31.1 課題研究的相關(guān)背景 31.2 選題的目的和意義 41.3 課題研究的內(nèi)容51.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀51.5 傳感器目前存在的主要問(wèn)題 5第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 62.1 微機(jī)械電容式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則 62.2

3、 微機(jī)械電容式加速度計(jì)的三種常見結(jié)構(gòu) 62.3 電容式加速度傳感器設(shè)計(jì)方法選擇與優(yōu)化 72.4 電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)梁的設(shè)計(jì) 102.5 微機(jī)械電容式加速度傳感器的設(shè)計(jì)參數(shù) 14 2.6傳感器工作原理及數(shù)據(jù)計(jì)算 162.7 微機(jī)械加工工藝17第三章 測(cè)控電路 183.1 轉(zhuǎn)換電路183.2 正弦波產(chǎn)生電路193.3 儀用放大器203.4 相敏檢波電路213.5 濾波電路22 第四章 技術(shù)指標(biāo) 23湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)4.1 殼體固定要求234.2 滑塊與殼體接觸面的光滑度要求 234.3 測(cè)控電路的要求23 第五章傳感器適用范圍 235.1影響適用范圍的因素 235.2 加設(shè)重力加速度傳感

4、器 23 第六章 總結(jié)與展望 246.1 數(shù)據(jù)關(guān)系246.2 與書本上面的測(cè)加速度傳感器對(duì)比 24 第七章 總結(jié)與展望 247.1 總結(jié)247.2 展望24 參考文獻(xiàn) 25 附錄 126 附錄 227 附錄 328湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)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(dòng)控制過(guò)程中， 它能迅速客觀 地反映出實(shí)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(duì)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(guò)改變介質(zhì)，極板距離，極板正對(duì)面積，這三個(gè)參數(shù)之一 使傳感器的電容發(fā)生變

5、化， 再通過(guò)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。 這就是電容式傳感器的特點(diǎn)， 通過(guò)上面的原理可以做成很 多傳感器，比如測(cè)長(zhǎng)度的， 測(cè)角度，測(cè)空氣粉塵，空氣濕度，還有聲音，振動(dòng)等， 精度很高，比如測(cè)振動(dòng)的精度可以達(dá)到零零幾個(gè)微米。 但是測(cè)長(zhǎng)度的線性度不好， 需要通過(guò)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(jì)的時(shí) 候要很注意。把被測(cè)的機(jī)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(gè)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

6、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。 、 A、三個(gè)參數(shù)中任一個(gè)的變化都將引起電容量變化，并可用于測(cè)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(lái)測(cè)量微小的線位移或由于力、壓力、振動(dòng)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(cè)量角位移或較大的線移。介質(zhì)變化型常用于物位 測(cè)量和各種介質(zhì)的溫度、 密度、濕度的測(cè)定。 70 年代末以來(lái) ,隨著集成電路技術(shù) 的發(fā)展 ,出現(xiàn)了與微型測(cè)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(diǎn)得到克服。 電容式傳感器

7、是一種用途 極廣很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌?測(cè)量物體相對(duì)于大地或慣性空間的運(yùn)動(dòng)，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(cè)量精度高， 輸出 穩(wěn)定，溫度漂移小等優(yōu)點(diǎn)。 而電容式加速度傳感器實(shí)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(cè)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(cè)電極間的空隙發(fā)生改變從而引起等效電容的變化來(lái)測(cè)定加速度 的。本課程設(shè)計(jì)利用慣性原理， 加速的變化使滑塊動(dòng)作， 從而帶動(dòng)介子移動(dòng)。 使 電容的介電常數(shù)發(fā)生改變， 通過(guò)測(cè)量這個(gè)介電常數(shù)的變化進(jìn)一步反映加

8、速的大小 以及方向。微機(jī)電系統(tǒng)( MEMS, Micro-Electro-Mechanic System )是一種先進(jìn)的制造 技術(shù)平臺(tái)。它是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)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(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行微米 或者毫米級(jí)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(yùn)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、湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)質(zhì)量輕、成本低、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)，而且因?yàn)槠浼庸すに囈欢ǔ潭壬吓c 傳統(tǒng)的集成電路工藝兼容， 易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、 智能化以及批量生產(chǎn)，

9、 因而從問(wèn)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(cè)等方面得到了 廣泛應(yīng)用。1.2 選題的目的和意義課程設(shè)計(jì)是本專業(yè)教學(xué)實(shí)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(guò)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐， 使我們所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)得 到鞏固，并使我們得到運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題初步訓(xùn)練； 課程設(shè)計(jì)的我 們應(yīng)接觸和了解實(shí)際局部設(shè)計(jì)， 從收集資料、 方案比 較、計(jì)算、繪圖的全過(guò)程， 進(jìn)步提高我們析、 綜合能力以及工程設(shè)計(jì)中計(jì)算和繪圖的基本能力， 為今后 的畢業(yè)做好準(zhǔn)備。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì) ,掌握傳感器的工作原理 ,了解簡(jiǎn)單多功能傳感器組成原 理，初步掌握多功

10、能傳感器的調(diào)整及測(cè)試方法， 提高動(dòng)手能力和排除故障的能力。 同時(shí)通過(guò)本課題設(shè)計(jì)與裝配、 調(diào)試，提高自己的動(dòng)手能力， 鞏固已學(xué)的理論知識(shí)， 建立傳感器的理論和實(shí)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(jì)、計(jì)算各個(gè)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(jì)傳感器， 在實(shí)際生活中廣泛應(yīng)用。 電容式傳感器是將 被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化， 實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。 利 用滑塊的移動(dòng)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(guò)測(cè)控電路 的放大、整流和 A/D 轉(zhuǎn)換，然后利用單片機(jī)把加速的顯示出來(lái)。1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 傳感器作為一種

11、電子產(chǎn)品， 早已廣泛應(yīng)用于各種實(shí)際場(chǎng)合， 但目前所使用的 傳感器有的電路較復(fù)雜不便于制作 ,可靠性低，實(shí)現(xiàn)起來(lái)很困難；有的則用一些 專用的集成塊 ,而專用集成塊的購(gòu)買又很困難。為適應(yīng)更多的實(shí)際生活需要而設(shè) 計(jì)一個(gè)多功能傳感器，這種傳感器具有電路簡(jiǎn)單，元件普通,易于購(gòu)買等優(yōu)點(diǎn) ,很好地解決了制作者制作困難和難于購(gòu)買的問(wèn)題。 在國(guó)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(wèn)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(shí)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(shí)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

12、個(gè)單位若 專購(gòu)一個(gè)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， 往往因長(zhǎng)期使 用使（電子器件的）傳感器損壞，再購(gòu)置的麻煩和及時(shí)性就會(huì)影響活動(dòng)的開展。 但 目前多數(shù)傳感器存在 2 個(gè)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。湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于電容變化的原理來(lái)對(duì)加速度進(jìn)行檢測(cè)的微機(jī)械電容式加速度計(jì)具有制 作工藝簡(jiǎn)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(diǎn)，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(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究具有重要的 理論意義及應(yīng)用價(jià)值。2

13、.1 微機(jī)械電容式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則 微機(jī)械電容式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要綜合考慮各項(xiàng)性能以達(dá)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(jì)的實(shí)際功能， 在硅微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 過(guò)程中，除了應(yīng)滿足具有較好的強(qiáng)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(shí)， 只有某一個(gè)或某幾個(gè) 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(wú)干擾性。( 2)靈敏性設(shè)計(jì)原則： 靈敏性設(shè)計(jì)是指在硅微結(jié)構(gòu)空間中， 微納米量級(jí)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(cè)定出來(lái)。 即有著較好的靈敏度。2

14、.2 微機(jī)械電容式加速度計(jì)的三種常見結(jié)構(gòu)微機(jī)械電容式加速度計(jì)主要有三種結(jié)構(gòu)， 即三明治擺式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)、 蹺蹺 板擺式加速度計(jì)和梳齒式微加速度計(jì)。(1) 三明治擺式電容加速度計(jì)三明治擺式電容加速度計(jì)又稱為懸臂梁式硅微機(jī)械加速度計(jì)( Cantilever Beam Micromachined Silicon Accelerometer ，CMS)A，是一種夾層結(jié)構(gòu)的微機(jī) 械加速度計(jì)，因動(dòng)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(duì)比較簡(jiǎn)單， 電容可動(dòng)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(duì)應(yīng)的固定極板組成一組差動(dòng)電容來(lái)敏感輸入加速度的大小。

15、當(dāng) 質(zhì)量塊受到加速度激勵(lì)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)， 電容極板間距隨之變化， 差動(dòng)電容大小發(fā)生 改變，理論推導(dǎo)可知差動(dòng)電容的大小和加速度在質(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(jì)。湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)在這方面的研究上，美國(guó) Litton 公司、德國(guó) 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(jí) 的高精度微機(jī)械加速度計(jì)，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

16、電容加速度計(jì) 蹺蹺板擺式電容加速度計(jì)又稱扭擺式硅微加速度計(jì)( Pendulous Micromachined 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(guó) Draper 實(shí)驗(yàn)室于 1990 年研制的微機(jī)械加速 度計(jì)，其敏感質(zhì)量與下面的玻璃基片之間形成差動(dòng)檢測(cè)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(shí)，質(zhì)量片將繞著支撐梁旋轉(zhuǎn)，從而使相應(yīng)的一對(duì)差動(dòng)電容一個(gè)增大一個(gè)減小， 測(cè)量差動(dòng)電容值既可得到沿敏感軸輸入的加速度。 它的檢測(cè)電路與 ADXL50類似。 擺片與基片之間形成

17、差動(dòng)電容由 100kHz 載波信號(hào)激勵(lì)，輸出的電壓經(jīng)過(guò)放大和 相敏解調(diào)后作為反饋信號(hào)加給力矩器電容極板， 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(cè)加速度成線性關(guān)系。(3) 梳齒式電容加速度計(jì)梳齒 式 硅微 機(jī)械 加 速度 計(jì)( Finger-shaped Micromachined Silicon Accelerometer ，簡(jiǎn)寫為 FMSA)因活動(dòng)電極形似梳齒而得名，又稱叉指式電容加 速度計(jì)，是微加速度計(jì)的一種典型結(jié)構(gòu)。 梳齒式微加速度計(jì)是梳齒式微加速度計(jì) 具有靈敏度高、 溫度穩(wěn)定性好、 結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、 功耗比較低、直流特性好等特點(diǎn)， 但是容易受到

18、電磁干擾。 該類型的加速度計(jì)可以通過(guò)把若干極板面積較小的電容 并連起來(lái)形成相對(duì)較大的電容以提高分辨率， 而且可以制作反饋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控 制，利于精度的提高。 此外， 此類型微加速度計(jì)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(jì)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(jì)方法選擇與優(yōu)化一種梳齒式微加速度計(jì)的活動(dòng)敏感質(zhì)量元件是一個(gè)為 H 形的雙側(cè)數(shù)尺結(jié)構(gòu)， 相對(duì)于固定活動(dòng)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(guò)立柱固定于基片上。每個(gè)梳齒由中央質(zhì)量桿(齒樞)向其兩側(cè)伸出可 以運(yùn)動(dòng)，稱為動(dòng)齒(動(dòng)指) ，構(gòu)成可

19、變電容的一個(gè)活動(dòng)電極，直接固定在基片上湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)的為定齒（定指），構(gòu)成可變電容的一個(gè)固定電極，定齒動(dòng)齒交錯(cuò)配置形成差動(dòng) 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(jì)和定齒偏置結(jié)構(gòu)的梳齒電 容加速度計(jì)；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(jì)和體硅 加工梳齒電容加速度計(jì)； 再者可按照控制方式的不同分為開環(huán)控制加速度計(jì)和閉 環(huán)控制加速度計(jì)。下面結(jié)合上述一些分類及特點(diǎn)，利用實(shí)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(jì)的典型結(jié)構(gòu)

20、如圖 2.1 所示，每組定 齒由型齒和兩個(gè) L 型齒組合而成，每個(gè)動(dòng)齒與一個(gè)型定齒和一個(gè) L 型定齒交 錯(cuò)等距離配置形成差動(dòng)結(jié)構(gòu)。 該方案的主要優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省管芯版面尺寸， 這對(duì) 于表面加工的微機(jī)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(cè)量電 容偏小，影響了梳齒式微機(jī)械傳感器分辨率和精度的進(jìn)一步提高。 為了提高微機(jī) 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(jì)。圖 2.1 表面加工定齒均勻配置梳齒式電容加速度計(jì)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(jī)械電容加速度計(jì) 定齒偏置配置梳齒式電容加速度計(jì)的典型結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示、與表

21、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)結(jié)構(gòu)對(duì)稱。 上下相對(duì)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(gè)動(dòng)齒與相鄰的兩個(gè)定齒的每個(gè)梳齒交 錯(cuò)配置，整個(gè)結(jié)構(gòu)形成以梳齒為中點(diǎn)左右對(duì)稱， 總體形成差動(dòng)電容。 每一個(gè)動(dòng)齒 與兩側(cè)相鄰的定齒之間的間距分別為 d0和 D0， D0和d0比值大于 5：1以上，主湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)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(dòng)檢測(cè)電容和差動(dòng)加力電容。圖 2.2 定齒偏置配置梳齒式電容加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖兩側(cè)的形定

22、齒 S1 、 S2 為左右對(duì)稱的檢測(cè)齒，構(gòu)成檢測(cè)電極，分別與動(dòng)齒 形成2ns對(duì)差動(dòng)檢測(cè)電容， 如圖 2.3 所示。L型定齒 F1 、F2為左右對(duì)稱的加力齒， 構(gòu)成加力電極，與動(dòng)齒形成 2nf 對(duì)差動(dòng)加力電容。所有動(dòng)齒定齒共同等效為 1 對(duì) 差動(dòng)檢測(cè)電容 Cs1與Cs2和一對(duì)差動(dòng)加力電容 Cf1與 Cf2。圖 2.3 差動(dòng)電容簡(jiǎn)化示意圖2.3.3 體硅加工定齒偏置結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)由上述敘述，綜合起來(lái)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(zhǎng)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)的比較定齒均置結(jié)構(gòu)定齒偏置結(jié)構(gòu)橫向尺寸大較小湖南科技大學(xué)本科課程

23、設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)梁的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)梁在微機(jī)械加速度計(jì)的設(shè)計(jì)中是十分關(guān)鍵的一個(gè)部分， 其參數(shù)與儀表的 分辨率、量程、橫向靈敏度等指標(biāo)均有密切關(guān)系，稱為微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。 微機(jī)械電容式加速度計(jì)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(jì)的。 其設(shè) 計(jì)首先要在達(dá)到目標(biāo)剛度的前提下， 應(yīng)使梁的長(zhǎng)度最小，

24、 厚度最大， 從而具有較 高的強(qiáng)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(qiáng)的抗干擾能力， 減小其它方向?qū)γ舾行盘?hào)的干擾。 最后， 需要二階及二階以 上模態(tài)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于檢測(cè)模態(tài)的頻率值。常見微結(jié)構(gòu)梁的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2.4所示。10湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)mmm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(shí)考慮強(qiáng)度和制造

25、工 藝等條件，我們可以得出各種梁結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)。具體見表 2.2 。表 2.2 常見微結(jié)構(gòu)梁性能特點(diǎn)比較類型檢測(cè)模態(tài)交叉有無(wú)應(yīng)力釋主要特點(diǎn)工藝懸臂梁剛度 小耦合 小耦放作用 有剛度小要求雙面雙端固較大小無(wú)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單光刻 無(wú)定梁L梁1較大大有節(jié)省面積無(wú)L梁2較大較大有介于折疊梁和雙端固定梁之間無(wú)11湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)魚鉤梁小大有前兩階模態(tài)剛度較小無(wú)蛇形梁小大有梁軟，振幅大無(wú)斜置梁較大大無(wú)前兩階模態(tài)頻率相差較小， 不受無(wú)折疊梁較小較小有加工誤差影響綜合性能較好無(wú)通過(guò)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(jiǎn)單， 自身 具有應(yīng)力釋放作用， 能抵抗加工過(guò)程及其它熱變化引起的膨脹變形

26、， 剛度、模態(tài) 頻率易調(diào)節(jié)等很多優(yōu)點(diǎn)。并且另外一個(gè)原因是折疊梁結(jié)構(gòu)在很大的變形范圍內(nèi)， 位移與作用力都保持線性關(guān)系。當(dāng)折疊梁內(nèi)外兩臂長(zhǎng)不同時(shí)，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(zhǎng)的折疊梁變?yōu)榈缺坶L(zhǎng)的折疊梁， 可以減小整個(gè)折疊梁尺寸。2.4.2 折疊梁剛度計(jì)算 在比較選擇了折疊梁作為設(shè)計(jì)選取方案， 我們有必要對(duì)梁的剛度有一定的認(rèn) 識(shí)。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(jì)算 雙端固定梁的微結(jié)構(gòu)示意圖在前文已表述。 由對(duì)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。

27、設(shè) AB梁長(zhǎng)為 2l ， 寬為b ，厚為 h，中心點(diǎn) C受力為 P。由于梁 AB受力情況關(guān)于 C點(diǎn)對(duì)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12湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)圖 2.6 AC 段受力分析和相應(yīng)力矩圖由力學(xué)知識(shí)可以解得， AC段梁各截面的彎矩與沿X軸方向的變形為1M(X) M A PX,(2-2)1 1 2(X)(MA X PX2)EJ A 41 1 2 1 3(X) ( M AX2PX3)EJ 2 A 12其中， J 對(duì) Z軸的慣性矩： J b3h/12由邊界條件及點(diǎn)變形條件 (0) 0, C 0 解得：1(0

28、) E1J(MAl 1 Pl2) 0,MA14PlMC M A1Pl21Pl41(X) E1J1(12MAX112PX3)1 PX 324EJ(2-3)即 C點(diǎn)位移為： (X)Pl3EJ 24EJ(2-424EJ所以雙端固支梁(單側(cè))Y方向的剛度為： k 243EJ(2-5)由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱， 雙端固支梁相當(dāng)于兩個(gè)單側(cè) Y 方向的剛度的并聯(lián)， 求得檢測(cè)方向( Y 方向)的等效剛度為：由此可以KY 2k 48lE3 J(2-6)(2) 折疊梁檢測(cè)方向的剛度 采用等臂長(zhǎng)的折疊梁結(jié)構(gòu)，敏感質(zhì)量?jī)啥烁饔沙叽绱笮∫粯拥恼郫B梁支撐，13湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)取其中一端，受力分析如圖2.7 所示。圖 2.7

29、（ a）b）分別是等臂長(zhǎng)的折疊梁結(jié)構(gòu)和受力分析示意圖采用等臂長(zhǎng)的折疊梁結(jié)構(gòu)，敏感質(zhì)量?jī)啥烁饔沙叽绱笮∫粯拥恼郫B梁支撐， 取其中一端，受力分析見圖 2.11 。設(shè)梁長(zhǎng) AB CD l,AB CD 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 AD的 剛度為：k A D k A D 2 4 l E3 J（2-7）此時(shí)，折疊梁相l(xiāng) 當(dāng)于兩個(gè)雙端固定直梁 AD 和 AD 的串聯(lián)。所以折疊梁檢測(cè)方向（ Y 方向）的剛度為：KYkAD kAD12EJkAD kADl312E b3h Eb3hl 312l32-8)由圖 2.7 可以看出， 該加速度計(jì)結(jié)構(gòu)相

30、當(dāng)于兩個(gè)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：km KY24lE3 J2Eb3hl32-9)由此可見，相同情況下，折疊梁與雙端固支梁在檢測(cè)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(guò)上述分析， 電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選取體硅加工工藝， 選擇折 疊梁作為承載梁，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，設(shè)計(jì)出定齒偏置加速度計(jì)。2.5 微機(jī)械電容式加速度傳感器的設(shè)計(jì)參數(shù)在微機(jī)械電容式加速度傳感器中， 采用一個(gè)慣性質(zhì)量塊為敏感檢測(cè)質(zhì)量， 檢 測(cè)電容的一個(gè)極板制作在慣性質(zhì)量塊上有加速度作用時(shí)慣性質(zhì)量塊會(huì)沿檢測(cè)敏 感方向運(yùn)動(dòng)， 從而改變質(zhì)量塊上可動(dòng)極板與襯底上固定極板之間的容值， 通過(guò)

31、對(duì)14湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)該電容值的測(cè)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(cè)信 號(hào)容易被干擾噪聲淹沒(méi)，難滿足高靈敏度和高精度要求 因此在工程實(shí)際應(yīng)用中 一般用差動(dòng)結(jié)構(gòu) （圖 2.8）差動(dòng)測(cè)量的兩部分受到的干擾噪聲號(hào)基本一致，可以通 過(guò)差分計(jì)算有效提高傳感器的信噪比。圖 2.8 （a）動(dòng)極板示意圖（ b）差動(dòng)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?yàn)槊舾蟹较颉?梳狀電容極板當(dāng)水平方向有加速度， 質(zhì)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可知，梳狀電容器左右上下形成差分式電容。 微機(jī)械加速度傳感器可化為質(zhì)量彈簧

32、阻尼系統(tǒng)， 由牛頓第二定律可知等下力 學(xué)模型為：22-10)d x(t) dx(t)a ma(t) m 2 c kx(t) F a dt 2 dtF a 為外部加速度引起的沖擊力。 查閱相關(guān)資料可設(shè)計(jì)：質(zhì)量塊的質(zhì)量 m 1.838 10-7 kg， 彈性彈簧梁 k=101N/m， 質(zhì)量塊長(zhǎng)度 LM =1500 m寬度 WM 650 mU 型梁長(zhǎng)度 LU 600 m寬度 WU 10 mU 型梁圓弧部分半徑 RU 35 m梳齒極板長(zhǎng)度 LS 500 m重合部分長(zhǎng)度 L 450 m15湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)寬度 WS 8 m 厚度均為 H=80 m 檢測(cè)動(dòng)梳齒總數(shù) n=48， 初始間距 d0 =4

33、.5 m。2.6 傳感器工作原理及數(shù)據(jù)計(jì)算差動(dòng)式電容可等效為圖 2.9 形式：AC圖 2.9 差動(dòng)式電容簡(jiǎn)化極板電路單個(gè)可動(dòng)極板和其對(duì)應(yīng)的固定極板構(gòu)成的電容為C0 C1 C20S 0L Hd0d02-11)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(lái)平衡位置，產(chǎn)生一下段位移 d ，可動(dòng)極板和固定極板之間的電容 變化為：C10Sd0 dC20Sd0 d2-12)由于采用差動(dòng)式靜電力作用反饋電路， dd0：C0 C1 C20Sd0 d0S 2 0S dd0dd02 d 22 0S dd022-13)ma敏感方向的位移 :2-14)由 2-13 和 2-14

34、可得：2-15)2 0Smkd02空氣的相對(duì)介電常數(shù) =1，真空的介電常數(shù) 0 8.845 10-12 F m -1，由設(shè)計(jì)參數(shù)可計(jì)算得出：初始檢測(cè)電容為16湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)nC020S0L Hd0d01.698 pFn 0SmSC0.137dmSdgak1.783 10 8mg阻尼系統(tǒng)固有頻率：2加速度傳感器的電容靈敏度為：kd02加速度傳感器的位移靈敏度為：極板間最大相對(duì)位移為 d=4 m，理論上計(jì)算最大測(cè)量加速度為：dk 2amax2198m s 224gm所以理論測(cè)量范圍為 0224g。(g=9.81m s 2 )2.7 微機(jī)械加工工藝微電容式加速度微傳感器工藝技術(shù)是基于 ME

35、MS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(jì)采用陽(yáng)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(diǎn)， 根據(jù)其掩

36、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(jī)械加速度傳感器的懸浮運(yùn)動(dòng)區(qū)域和結(jié)構(gòu)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(kuò)散工藝對(duì)硅片進(jìn)行摻雜，使結(jié)構(gòu)能17湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)與電極形成良好的歐姆接觸， 提高傳感器性能。 由于擴(kuò)散濃度和范圍主要受擴(kuò)散 持續(xù)時(shí)間和擴(kuò)散溫度的影響，因此需要嚴(yán)格控制擴(kuò)散時(shí)間和溫度。淀積溫度約 750 ，驅(qū)入溫度約為

37、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(hào) ( 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。 玻璃片與硅片采用硅 玻璃陽(yáng)極對(duì)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(shí)會(huì)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(hào)玻璃與硅片在 300 左 右時(shí)膨脹系數(shù)

38、十分接近，因此可以使其殘余應(yīng)力較小。( 5) 用 有 機(jī) 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(duì)硅片 進(jìn)行腐蝕，將硅片減薄到 80 m 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(huì)對(duì)硅片造成污染。 EPW腐 蝕則不會(huì)。第三章 測(cè)控電路傳感器出來(lái)的信號(hào)要經(jīng)過(guò)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(jī)顯示。系統(tǒng)總的框圖如圖 3.1 所示：圖 3.1 測(cè)控系統(tǒng)總

39、體框圖3.1 轉(zhuǎn)換電路18湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)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(gè)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(jiǎn)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(yùn)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(hào)加

40、入運(yùn)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(wú)關(guān)， 因此增益的精度和穩(wěn)定性都很高。 在實(shí)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=1/2 RC這個(gè)頻率上， RC 移相網(wǎng)絡(luò)相位移為零，而 R82Rf，滿足振蕩條件。選 R=240k， C=330pF，則 得到振蕩頻率為：19湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)2kHz113 122 RC 2 3.14 240 10 330 10圖 3.3 穩(wěn)幅文氏振蕩器為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)幅的目的，在運(yùn)算放大器輸入端加上由R8、R4

41、和場(chǎng)效應(yīng)管 VT組成可控負(fù)反饋電路。對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管要求工作在線性電阻區(qū)，只有在UDS較小時(shí)，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(diào)范圍約為 400 100M ，當(dāng)幅值較大時(shí)， RDS應(yīng)自動(dòng)增大以加強(qiáng)負(fù)反饋，這 個(gè)作用由整流二極 D1，濾波電路 R7、R6、C5 及場(chǎng)效應(yīng)管 VT組成。當(dāng)幅值較小時(shí)， C5 上的電壓 VC5逐漸減小，導(dǎo)致 RDS下降，所以電路將自動(dòng)在 VT 的其一柵源電壓 下穩(wěn)定下來(lái)，輸出幅值穩(wěn)定的正弦波電壓。調(diào)節(jié)R6 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(cè)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，傳感器輸出信號(hào)往往

42、較弱，而且其中還包括工 頻、靜電和電磁耦合等共模干擾， 對(duì)這種信號(hào)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。20湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)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(dòng)放大器， 其對(duì)稱性結(jié)構(gòu) 使整個(gè)放大器具有很高的共模抑制能力， 特別是適用于長(zhǎng)距離測(cè)量。 其數(shù)學(xué)模型UO R3 (1 R1 R2 )(UO1 UO2)為：R5R0(3-1 )令電路參數(shù)對(duì)稱 R=R3=R5=R4=R6=16k ，即 R1=R2=40k 。帶入 (16) 整理得： 所以增益為： K U O 1

43、 2R1(3-2)U i1 Ui2R0這種電路特點(diǎn)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(duì)微小的差模電壓很敏感， 并適用于遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)， 因而十分適 用與傳感器配合使用。顯然，為保證電路的對(duì)稱性，改變?cè)鲆孀詈侠怼⒆詈?jiǎn)單的 方法是改變 RG 的阻值。3.4 相敏檢波電路當(dāng)被測(cè)量經(jīng)過(guò)變壓器式電橋變換后， 將微弱的交流信號(hào)送入儀用放大器進(jìn)行 放大，為了恢復(fù)原來(lái)被測(cè)量緩慢信號(hào)， 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(guò)程 如下，當(dāng)輸入電壓 Vi 為正半周期時(shí)， U4反相， D2截至， D1 導(dǎo)

44、通， U4輸出為零， R11=R12=20k ，U5的電壓放大倍數(shù)為 R10/R9=-1 ，則輸出信號(hào)為： Vo=V1。當(dāng)輸入電壓 Vi 為負(fù)半周期時(shí)，經(jīng) A4反相， D2導(dǎo)通， D1截至，經(jīng) R10， U4 輸出為-Vi ，選擇合適的電阻 R11、R11使 R11=2R11經(jīng)過(guò) R11過(guò)來(lái)的電壓疊加后輸出 信號(hào) V0為： Vo=V1。21湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)圖 3.6 相敏檢波電路圖3.5 濾波電路 通過(guò)相敏檢波出來(lái)的信號(hào)需要濾波后才能得到有用信號(hào)。 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(jì)圖 3.7 低通

45、濾波電路圖 R13=R14=1.6K ,C4=C5=0.01 F ,R16=5K,R17=3K。則帶寬為 010Hz 。這樣把它檢波后的脈動(dòng)直流信號(hào)中高次諧波濾掉，采 用有源低通濾波器的優(yōu)點(diǎn)是較小的電容得到良好的濾波效果。 濾波器輸出后的電22湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)壓信號(hào)經(jīng)過(guò) AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換片與單片機(jī) 80C52連接，這樣就可以完成對(duì)被測(cè)對(duì)象 的檢測(cè)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(gè)殼體需要固定在被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體之上， 殼體與被測(cè)物體不能有相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 或 者說(shuō)不能有相對(duì)加速度。如果殼體與被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體沒(méi)有結(jié)合在一起， 之間有相對(duì)加速度， 則測(cè)量出來(lái)的 加速的包

46、含了一個(gè)與這個(gè)相對(duì)加速度方向相反的加速度。 導(dǎo)致測(cè)量誤差。 措 施：把殼體用螺釘栓在被測(cè)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(yùn)動(dòng)， 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(duì) 于這里，有兩點(diǎn)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(gè)影響變小。 在結(jié)果采取補(bǔ)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(wú)法避免的， 但是我們可以通過(guò)計(jì)算， 把摩擦影響在測(cè) 量結(jié)果加上一個(gè)數(shù)值，使其影響變小。因?yàn)樽畲箪o摩擦的存在， 被測(cè)物體僅僅只有加速度

47、是不能使滑塊發(fā)生運(yùn)動(dòng)， 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(gè)值的時(shí)候， 傳感 器才開始有顯示， 這時(shí)候?qū)嶒?yàn)結(jié)果的補(bǔ)償也才可以實(shí)施。 我這里記這個(gè)加速度為 a0，所以加大光滑度，減少摩擦盡量使這個(gè) a0 值變小。這一點(diǎn)也是傳感器致命 缺點(diǎn)，由于摩擦的存在使傳感器的測(cè)量范圍減少。措施：加強(qiáng)表面加工；加注潤(rùn)滑油。4.3 測(cè)控電路的要求測(cè)控電路的作用是將信號(hào)放大， 并轉(zhuǎn)換成所需要的信號(hào)類型。 這里，測(cè)控電 路需要把信號(hào)放大，且把模擬信號(hào)要轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，利用單片機(jī)顯示在頻幕 上。 然而信號(hào)是極其微弱的，電路之中一個(gè)器件發(fā)出的噪聲也許都比這個(gè)信號(hào)要大。 所以測(cè)控電路一定要濾除干

48、擾信號(hào)。 所以，在測(cè)控電路之上一定要加屏蔽措施。 措施：外加屏蔽罩；內(nèi)加屏蔽電路。第五章 傳感器適用范圍5.1 影響適用范圍的因素除了之上所述， 摩擦影響測(cè)量精度。 還有就是地球萬(wàn)有引力作用， 如果被測(cè) 物體不是在水平線上運(yùn)動(dòng)，而是斜向上，或者斜向下。這時(shí)候，即使物體是停放 在一個(gè)斜坡之上，按傳感器的設(shè)計(jì)，這里也會(huì)有加速度顯示。顯然這是不行的。 所以單單這個(gè)傳感器，只能適用于水平直線運(yùn)動(dòng)。顯然，這個(gè)適用范圍很窄。5.2 加設(shè)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(yùn)動(dòng)中。 但是如果加設(shè)一個(gè)重 力在運(yùn)動(dòng)線上分量測(cè)量的傳感器， 然后用之前傳感器的測(cè)量減去這個(gè)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(yùn)動(dòng)在垂直線上，測(cè)量結(jié)果減去一個(gè)重力加速度就可以23湖南科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)第六章 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理6.1 數(shù)據(jù)關(guān)系電容 C 與三個(gè)量的關(guān)系是 C2 0Smkd02，顯然，電容 C與 a 是線性關(guān)系6.2 與書本上面的測(cè)加速度傳感器對(duì)比起初，拿到課題想到的測(cè)加速度， 第一映像就是測(cè)水平運(yùn)動(dòng)的加速度， 所以自 然而然想到上面的方案。 但是仔細(xì)閱讀書本上面測(cè)震動(dòng)加速度傳感器， 還是發(fā)現(xiàn) 自己設(shè)計(jì)存在很多不足。電容式加速度傳感器原理圖如圖 6.1 所示。 質(zhì)量塊 4由兩根彈簧片