論文開題報告-徐東風(fēng)

1、畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告題目： 差動電容式加速度傳感器的研究 課 題 類 別： 設(shè)計 論文學(xué) 生 姓 名： 徐東風(fēng)學(xué) 號： 200652050109班 級： 測控06-1班專業(yè)（全稱）： 測控技術(shù)與儀器指 導(dǎo) 教 師： 曾志偉 王向紅2010年 4 月 一、本課題設(shè)計（研究）的目的：1. 通過本次設(shè)計使我們進一步了解了差動電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理2. 掌握這種傳感器的常用測量電路的工作原理和性能特點3. 通過本次設(shè)計掌握影響差動電容式加速度傳感器精度的因素及提高精度的措施4. 掌握這種傳感器基本性能的標(biāo)定方法5. 進一步學(xué)習(xí)通過仿真分析傳感器性能的技巧二、設(shè)計（研究）現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（文獻綜

2、述）：1.引言電容式加速度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)特性好、抗過載能力大，對高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件適應(yīng)性強、價格便宜等一系列優(yōu)點，因此它已成為一種很有發(fā)展前途的傳感器，國內(nèi)外不少人認(rèn)為電容式傳感器是未來最有希望的傳感器。幾十年來，人們多用壓電式加速度傳感器或壓阻式加速度傳感器來測量振動和沖擊。但是對于測量持續(xù)時間長的沖擊運動，所用的傳感器具有零頻響應(yīng)是極為重要的。壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)牢固，但是頻響不能到零，而壓阻式加速度傳感器雖能敏感穩(wěn)態(tài)加速度，但容易由過量沖擊和共振造成損壞，它不具有某些應(yīng)用場合所要求的堅固程度和低“g”值測量時所需的精確度，并且對溫度敏感1。變電容式加

3、速度傳感器正好彌補了上述缺陷，這種加速度傳感器能承受比較大的過沖量而且由于其避開了壓阻溫度效應(yīng)，因此溫度特性比較好。利用現(xiàn)代新的工藝技術(shù)制成的、根據(jù)變電容原理工作的變電容式加速度傳感器，是專用于測量穩(wěn)態(tài)或低頻的低“g”值的振動，但又可耐受高“g”值的沖擊而不損壞。2.電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式電容式微加速度計是利用質(zhì)量塊把加速度的變化轉(zhuǎn)換成電容電極間極距的變化，一般采用差分結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)形式上,電容式微型加速度計可分為兩類：表面硅微型加速度計和體硅微型加速度計。 表面硅微型加速度計可以通過微機械加工工藝來實現(xiàn)，即通過對硅表面層的加工及犧牲層的腐蝕來獲得微機械部件，因此當(dāng)被用于制作慣性傳感器時，

4、所制得的器件的慣性質(zhì)量和檢測電容都很小。 而體硅微型加速度計則可以通過傳統(tǒng)體硅微機械加工工藝或LIGA工藝來實現(xiàn)，通過微機械加工工藝可以制得具有較大慣性質(zhì)量的器件。 在傳統(tǒng)的體硅微機械中，玻璃2硅2玻璃的三明治結(jié)構(gòu)通常被用來構(gòu)成適合于檢測電容變化的差分電容式結(jié)構(gòu)2，下面分別從表面硅工藝、傳統(tǒng)體硅工藝和LIGA工藝來介紹電容式加速度傳感器的常用的兩種結(jié)構(gòu)形式。1) 表面硅工藝表面硅工藝采用與集成電路工藝相似的表面加工手段，以單晶硅或多晶硅薄膜來制作機械結(jié)構(gòu)。采用的工藝方法包括外延、摻雜、濺射、化學(xué)汽相淀積、光刻、氧化等。 圖1 SDBSOI結(jié)構(gòu)表面硅工藝電容式微加速度傳感器如圖1所示，該傳感器是

5、用SDB- SOI(硅-硅直接鍵合硅-絕緣體鍵合)技術(shù)與表面硅工藝相結(jié)合的“準(zhǔn)表面硅工藝”制作的。其活動部件是10 m厚的單晶硅層,其敏感方向垂直于硅平面。作為懸臂梁固定端的4個點用SDB (硅-硅直接鍵合)技術(shù)直接連到硅基片上。質(zhì)量塊上開孔以改善阻尼,使傳感器有較好的頻響特性,工作帶寬達到200 Hz。與一般表面硅工藝電容式微加速度傳感器相比,它的敏感質(zhì)量塊厚得多,螺旋狀懸臂梁的剛度也較小,因而靈敏度較高,達到200 mVg；單晶硅的懸臂梁消除了遲滯性和蠕變，提高了可靠性。2) 傳統(tǒng)立體硅工藝體硅加工工藝是一種典型的微機械加工方法。為了形成完整的微結(jié)構(gòu)，往往在加工的基礎(chǔ)上還用到鍵合或粘結(jié)技術(shù)

6、。將硅的鍵合技術(shù)和體硅加工方法結(jié)合起來，是利用體硅工藝實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的一大特色。但是體硅加工工藝過程比硅表面加工要復(fù)雜，體積大而且成本高。但是，它使得可活動的敏感質(zhì)量加大，檢測電容量加大，加速度計的分辨率和靈敏度等性能得以提高。圖2 立體硅工藝電容式微加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖2是立體硅工藝電容式微加速度傳感器的一種典型結(jié)構(gòu)。敏感元件是玻璃硅玻璃的“三明治”結(jié)構(gòu)，外圍用硅封裝。如圖所示，夾在中間的敏感質(zhì)量擺片與鍍在上下兩邊玻璃上的檢測電極形成一對差動電容，敏感輸入加速度的大??；另外通過鍍在兩邊玻璃上的加力電極施加靜電反饋力，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。3) LIGA工藝LIGA技術(shù)源自德文，是Lithografie

7、 Galvanoformung Abformung三個詞的縮寫，由光刻、電鑄、模鑄三個環(huán)節(jié)組成。LIGA工藝是一種新型的微型結(jié)構(gòu)加工工藝，是進行三維立體微細加工的方法之一，同時也是制作非硅材料微機電系統(tǒng)的工藝之一。LIGA工藝建立在具有深度刻蝕性能的X射線光刻、微電鑄成型、微塑料鑄模等技術(shù)的基礎(chǔ)上，由濺射隔離層、涂光刻膠、同步輻射X光曝光、顯影、微電鑄、去除隔離層、制造微塑料模具等多道工序組成，其特點是微結(jié)構(gòu)可做到很大的縱向深度，高深寬比，而且精度高，平行度好。其中微電鑄成型、微塑料鑄模環(huán)節(jié)使大規(guī)模生產(chǎn)塑料微結(jié)構(gòu)產(chǎn)品形成優(yōu)勢。3.發(fā)展現(xiàn)狀電容式加速度傳感器的基本原理是采用電容器作為敏感或變換元

8、件。比較有代表性的產(chǎn)品有美國模擬器件（ADI）公司的ADXL系列表面硅微機械電容式加速度傳感器、美國Draper實驗室研制的蹺蹺板式微硅加速度傳感器和德國Karlsruhe微結(jié)構(gòu)技術(shù)研究所采用LIGA技術(shù)加工的一種高精度變電容式加速度傳感器。ADXL系列傳感器利用表面硅微機械加工工藝與集成電路相兼容的特點，將傳感器與處理電路同時加工在一塊芯片上，解決了電容量小、易受分布電容影響的問題。1993年投產(chǎn)以來，現(xiàn)在已經(jīng)形成ADXL系列產(chǎn)品。1993年AD公司推出基于汽車方面應(yīng)用的ADXL50加速度傳感器，ADXL50是市場上最成功的面微機械加工加速度計之一，測量范圍是±50g；1996年又

9、推出了第二代加速度傳感器ADXL05，測量范圍是±5g；1998年推出了雙軸加速度傳感器系列，量程從±2g到±1000g，在一塊IC芯片上集成了雙軸加速度敏感元件、信號調(diào)理和脈寬調(diào)制信號輸出電路。其中，雙軸數(shù)字輸出加速度計ADXL202，量程是±2g，帶寬可以通過外界電容從0.01Hz一直調(diào)到5kHz，并且采用了脈沖調(diào)制占空比輸出，直接可以進入單片機處理，或者通過濾波轉(zhuǎn)換為模擬量輸出3。美國Draper實驗室開發(fā)的“蹺蹺板式”硅微機械加速度計用于炮彈，它采用的是扭桿支撐平板的結(jié)構(gòu)，平板的尺寸為300m×600m。試驗質(zhì)量相對扭桿支撐不對稱，在垂

10、直于平板的加速度作用下，平板傾斜。信號器是平板與基片之間形成的一對差動電容測量，并利用靜電力反饋形成閉環(huán)系統(tǒng)。該傳感器包括四種不同量程（100 000g，100 g，10 g，2 g）。100 000g的加速度傳感器為開環(huán)工作，其余的為閉環(huán)工作。高動態(tài)范圍（0.001g100 000g）的裝置用于炮彈，低動態(tài)范圍（0.1g1.5g）的為商用4。德國Karlsruhe微結(jié)構(gòu)技術(shù)研究所1993年在Karlsruhe原子能研究中心采用LIGA技術(shù)加工了一種高精度的加速度傳感器。后來在1995年又加了溫度補償電極。懸臂梁厚10m，電容電極間隙4m 5。采用LIGA技術(shù)制造的電容式加速度傳感器較表面硅和

11、傳統(tǒng)立體硅電容式加速度傳感器相比有以下優(yōu)點：a) 靜態(tài)電容較大b) 溫度漂移系數(shù)小c) 線性度高d) 橫向靈敏度小e) 微結(jié)構(gòu)較厚，牢固可靠國內(nèi)清華大學(xué)、信息產(chǎn)業(yè)部13所、上海交通大學(xué)、航天771所、信息產(chǎn)業(yè)部49所等單位都先后從事這方面的研究工作，其中，清華大學(xué)與信息產(chǎn)業(yè)部13所協(xié)作已研制出在實驗室條件下量程為50g、頻響大于500Hz的微機械電容式加速度傳感器。三、設(shè)計（研究）的重點與難點，擬采用的途徑（研究手段）： 設(shè)計一種差動電容式加速度傳感器。主要包括傳感器的結(jié)構(gòu)框架、原理設(shè)計以及信號處理電路的設(shè)計，即激勵電路、轉(zhuǎn)換橋路、信號方法電路、整流電路和濾波電路等的設(shè)計，并通過仿真分析傳感器

12、的性能。重點：差動電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式，差動電容式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路，電容式傳感器的靜態(tài)特性分析。難點：電容式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路，影響電容傳感器精度的因素及提高精度的措施。 擬采用的手段：a. 穩(wěn)幅文氏振蕩器穩(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。圖3 穩(wěn)幅文氏振蕩器6為實現(xiàn)自動穩(wěn)幅的目的，在運算放大器輸入端加上由R8、R4和場效

13、應(yīng)管VT組成可控負反饋電路。對場效應(yīng)管要求工作在線性電阻區(qū)，只有在UDS較小時，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400100M ，當(dāng)幅值較大時， RDS應(yīng)自動增大以加強負反饋，這個作用由整流二極D1，濾波電路R7、R6、C5及場效應(yīng)管VT組成。當(dāng)幅值較小時，C5上的電壓VC5逐漸減小，導(dǎo)致RDS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)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。b. 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，

14、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)慣上稱為移用放大器，如圖4所示。圖4儀用放大器電路圖6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。設(shè)計（研究）進度計劃：第3-4周：理解設(shè)計任務(wù)、收集資料、調(diào)研完成開題報告第5-6：整理文檔并熟悉相關(guān)軟件。第7-9：原理圖設(shè)計。第1011周：原理圖調(diào)試。第12-14周：論文編寫。第15周：修改論文、答辯準(zhǔn)備。第16周：答辯。5、 主要參考文獻與外文翻譯文件1 袁希光.傳感器技術(shù)手冊M.北京: 國防工業(yè)出版社, 1986: 22-252 董景新.微慣性儀表M.北京: 清華大學(xué)出版社, 2003: 45-463 Analog Device Product Index: Sensors & Signal Con, Accelerometers. 4 N Barbour, J Connelly, J Gilmore, P Greiff. Micromechanical Silicon Instrument And Systems Development At Draper LaboratoryC. In: