電容式微加速度傳感器

1、電容式微加速度傳感器的應(yīng)用與發(fā)展引文：現(xiàn)代科技要求加速度傳感器廉價、性能優(yōu)越、易于大批量生產(chǎn)。在諸如軍工、 空間系統(tǒng)、科學(xué)測量等領(lǐng)域，需要使用體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的加速度傳感 器。以傳統(tǒng)加工方法制造的加速度傳感器難以全面滿足這些要求。于是應(yīng)用新興 的微機械加工技術(shù)制作的微加速度傳感器應(yīng)運而生。這種傳感器體積小、重量輕、 功耗小、啟動快、成本低、可靠性高、易于實現(xiàn)數(shù)字化和智能化。而且，由于微 機械結(jié)構(gòu)制作精確、重復(fù)性好、易于集成化、適于大批量生產(chǎn)，它的性能價格比 很高?？梢灶A(yù)見在不久的將來，它將在加速度傳感器市場中占主導(dǎo)地位。電容式微加速度傳感器是基于電容原理的極距變化型電容傳感器，其中一個

2、 電極是固定的，另一變化電極是彈性膜片。彈性膜片在外力（氣壓、液壓等）作 用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。這種傳感器可以測量氣流（或液流）的振動 速度（或加速度），還可以進(jìn)一步測出壓力。電容式微加速度傳感器因具有如下一些特點而受到重視；很高的靈敏度 和測量精度良好的穩(wěn)定性；溫度漂移小；功耗極低；良好的過載保 護能力；便于利用靜電力進(jìn)行自檢。本文將對電容式微加速度傳感器的結(jié)構(gòu)和 特點加以介紹，并對這類傳感器的若干關(guān)鍵技術(shù)及研究方向進(jìn)行探討，以及他的 應(yīng)用領(lǐng)域分析。目前研究的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢1立體硅工藝電容式微加速度傳感器硅是制作無滯后彈性元件的理想材料。利用各向異性刻蝕、陽極鍵合等硅整 體加工

3、技術(shù)，可在硅材料上制出尺寸微小的電容式加速度傳感器。其成本與壓阻 式硅微加速度傳感器相近，但靈敏度、分辨率、精度、動態(tài)范圍和穩(wěn)定性均憂于 壓阻式。這種傳感器早期多采用開環(huán)工作方式，現(xiàn)在大多采用閉環(huán)方式。靜電力平衡式就是一種閉環(huán)工作方式，原理見圖1。敏感質(zhì)量塊（活動電投） 的位移被測量電容c.、c：拾取，得到輸出電壓，再反饋到施力電極A-、A上， 產(chǎn)生靜電力作用于敏感質(zhì)量塊。該靜電力抵消了慣性力的作用，使質(zhì)量塊回到并 保持在原位景，測量電容的輸出保持為零。這時反饋電壓與被測加速度成線性關(guān) 系，可作為被測加速度的度量。采用這種工作方式，質(zhì)量塊的偏移極小，大大降 低了橫向靈敏度，電容間隙也可以做得很

4、小。極小的電容間隙能大幅度提高靈敏 度、精度和分辨率，線性和穩(wěn)定性也得到改普，還能提供氣體膜阻尼來抑制結(jié)振。圖1靜電力平衡式硅微加速度傳感器原理圖圖2是一種典型的靜電力平衡式硅微加速度傳感器。基本結(jié)構(gòu)仍是玻璃一硅 一玻璃“三明治”式。上下兩塊玻璃上沉積了金屬層，與中間的摻雜硅片有2 m 間隙，構(gòu)成10 pF的差動電容，既用作測量電容又作施力電容。質(zhì)量塊由兩根扭 轉(zhuǎn)軸支持，可敏感垂直于硅片方向的加速度。采用這種扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，很小的敏感質(zhì) 量就能獲得較高的靈敏度。因此中間硅片做得很薄，厚度僅1. 3m，扭轉(zhuǎn)軸可由 此硅片經(jīng)簡單的二維刻蝕制成。它的精度達(dá)到2.5X10g，靈敏度為4 /g，工 作范圍是0

5、. O1 g10 g，X作頻帶為0200 Hz。圖2扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的靜電力平衡式硅僦加速度傳感器2表面硅工藝電容式微加速度傳感器表面硅工藝是指用類似的工藝的方法在硅片表面制作徽機械結(jié)構(gòu)的技術(shù)，主 要包括硅的氧化和氯化、多晶硅沉積和捌蝕、犧牲層捌蝕等。該工藝與的工藝兼 容.制作精度很高，重復(fù)性好，成品率高，可以像制造電子元件一樣進(jìn)行大批量 生產(chǎn)。用這種工藝制作的徽加速度傳感器，機械結(jié)構(gòu)與檢測電路可集成在一個芯 片上.因而更加靈巧、可靠。世界上第一種用表面硅工藝大批量生產(chǎn)的加速度傳感器ADXL50口由Analog Devices公司和Siemens公司于1993年聯(lián)合研制成功，用于汽車氣囊保護系統(tǒng)。量

6、程為士50 g，靈敏度為20 mV/g，精度達(dá)到0. 25 .工作溫區(qū)為一55125C。 采用與集成電路BIMOS工藝兼容的表面微機械加工技術(shù)制造，徽結(jié)構(gòu)與信號處理 電路集成在同一硅片上。整個傳感器的尺寸為9.4mmX4.7mm，形同電子元件.是 真正廉價而高性能的現(xiàn)代傳感器。如圖3所示：卷臂果電et圖3表面硅工藝多軸靜電力平衡式截加速度傳感器3 LIGA工藝電容式微加速度傳感器L1GA工藝是一種全新的微機械加工技術(shù)，主要包括x光深度同步輻射光刻、 電鑄制模和注模復(fù)制3個工藝步驟，被認(rèn)為是下個世紀(jì)晟有前途的三維加工方法。 它具有硅加工技術(shù)難以企及的一些優(yōu)點L1GA工藝與犧牲層技術(shù)相結(jié)合可在一個

7、 工藝步驟中同時加工出固定的和活動的金屬微結(jié)構(gòu)，省去了調(diào)整和裝配的步驟， 特別適合于制作敏感質(zhì)量塊一懸臂梁結(jié)構(gòu)的電容式微加速度傳感器。這種傳感器 與硅電容式微加速度傳感器比較有許多優(yōu)點：靜態(tài)電容較大；溫度漂移系數(shù) ??；線性度高；橫向靈敏度小；徽結(jié)構(gòu)較厚，牢固可靠據(jù)報道，德國 Kerlsurh e核研究中心研制出這類傳感器的兩代產(chǎn)品見圖4TCO0圖4 Ker|surhe核研究中心研制的第二代LIGA工藝加速度傳感器的微結(jié)構(gòu)示意圈微結(jié)構(gòu)仍用鎳制成.附著在10 mmX2O mm的A10 陶瓷基片上。叉形敏感質(zhì) 量塊由兩根平行的懸臂粱支撐，與4個固定電極形成兩對4.5pF的差動電容。這 兩對差動電容的

8、溫度漂移系數(shù)一正一負(fù)，適當(dāng)設(shè)計它們的結(jié)構(gòu)參數(shù)可使溫度變化 帶來的影響相互抵消。整個儀器的溫度漂移系數(shù)為10g/C，工作溫區(qū)達(dá)到一 10100C。該傳感器仍采用靜電力平衡方式，量程有土 l g、2g、5 g、士 10 g 4種，靈敏度達(dá)到20 /g，精度達(dá)到10 g（土 l g量程），線性誤差也比第 一代產(chǎn)品小。缺點是頻率特性較差，諧振頻率僅有250 Hz，阻尼系數(shù)為0. 25。4電容式微加速度傳感器的關(guān)鍵技術(shù)及研究方向頻率響應(yīng)特性的改善；阻尼控制；橫向靈敏度的抑制；溫度漂移的抑制；e，信號檢測與處理電路；f，封裝;電容式微加速度傳感器的重要性已引起國內(nèi)一些單位的重視。清華大學(xué)、復(fù) 旦大學(xué)等開展

9、了立體硅工藝電容式微加速度傳感器的研制，取得初步進(jìn)展；中國 科學(xué)院高能物理研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海交通大學(xué)等利用北京正負(fù)電子 對撞機和合肥同步輻射加速器的光源，著手研制L1GA工藝電容式微加速度傳感 器，目前都還處于微結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工階段。電容式微加速度傳感器的應(yīng)用分析加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速 過程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是個常量， 比如g，也可以是變量。加速度傳感器可以用來分析發(fā)動機的振動。目前最新 IBMThinkpad手提電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使 用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，

10、系統(tǒng)會智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運 行，這樣可以最大程度的保護由于振動，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了 電腦做造成的硬盤損害，最大程度的保護里面的數(shù)據(jù)。另外一個用處就是目前用 的數(shù)碼相機和攝像機里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部的振動， 并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機的聚焦。概括起來，加速度傳感器可應(yīng)用在控制， 手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報警系統(tǒng)，玩具， 結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析; 鼠標(biāo)，高層建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。具體應(yīng)用實例：加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用加速度傳感器安裝在轎車上可以作為碰撞

11、傳感器。當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過 設(shè)定值時，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰 撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全 氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。使用加速度傳感器 可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。裝有傳感器的假人汽車安全氣囊加速度傳感器在軍工導(dǎo)彈中的應(yīng)用利用加速度傳感器實現(xiàn)延時起爆的鉆地炸彈參考文獻(xiàn)尤暉，李川奇，沈連官等.電容式微加速度傳感器的現(xiàn)狀及研究方向.中國機 械工程，1998，第9卷第1O期馬西琴，許振中，賴申江，自動檢測技術(shù).機械工業(yè)出版社，2008.9劉雙峰，馬鐵華，甘潦，徐晟.一種新型電容式加速度傳感器敏感電極的研究中北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）.2011 ,第32卷第2期胡雪梅，殷鴻.微機械電容式加速度計結(jié)構(gòu)設(shè)計分析.傳感器技術(shù)與應(yīng)用，2008，周再發(fā)，黃慶安，秦明.環(huán)境振動測量電容式加速度傳感器設(shè)計.微納電子技 術(shù)，2003，第7/8期