水银电容加速度计结构设计.docx

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水银电容加速度计结构设计

电容加速度计结构设计

摘要

加速度计是一种将运动方向上的加速度转变成可用于测量、监视和控制的电信号的传感器或敏感器件。

电容传感器是能把某些非电量物理量的变化通过一个可变电容器转换成电容量的变化的装置，十分适用于非接触测量。

而电容式加速度计是最常见的，也已成熟推广的传感器，其基本原理就是将电容作为检测接口，来检测由于惯性力作用导致惯性质量体发生的微位移。

这篇论文描述了如何设计出基于电容结构加速度传感器的一种甚至多种结构的过程。

针对目前机械式加速度传感器的弹性结构设计存在高灵敏度与抗高过载之间的矛盾，设计中提出了一种新型电容加速度传感器，屏弃以固态物质作为敏感质量体的传统做法，引用了水银液滴作为对加速度敏感的质量体形成弹性电极，与定电极板构成电容式加速度传感器，即水银电容加速度传感器。

关键词：

加速度计，电容传感器，电容加速度计,水银

StructuredesignofCapacitiveAccelerometerusingmercury

Abstract

Accelerometerisakindofsensorthattransformstheaccelerationonthedirectionofmovementtotheelectricalsignalwhichcanbemeasured,monitored,andcontrolled.Capacitivesensorcantransformnon-electronicparametertothemovementofcapacitythroughavaries-capacitor,anditfitforthenon-touchmeasurement.Thecapacitiveaccelerometerisverycommon,anditispopularizedmaturely.Theprincipiumisthatusedthecapacitorasameasureinterface,tomeasurethemicro-displacementwhichwascoursedbyinertia.

Thisthesistalksabouthowtodesignoneevenmoreprojectbasedonthecapacitivesensor.Accordingtothepresentmechanicalaccelerometershavethecontradictionbetweenthehigh-sensitiveandover-loading,anewconfigurationofcapacitiveaccelerometerhasbeendesigned.Throwoverthetraditionalwaythatusethesolidassusceptivemass,adoptthemercuryasmassforacceleratortoformtheelasticitypole,whichcomposethecapacitiveaccelerometerwithfixed-pole.Wecallitmercurycapacitiveacceleratedsensing.

Keywords:

accelerometer，capacitivesensing，capacitiveaccelerometer，mercury

外文资料及翻译

第一章绪论

1.1背景知识

传感器是一种采集信息的重要器件，它能将感受到的非电物理量（如力，加速度，速度，光，声等）转换成便于测量或便于控制的物理量，一般是电学量。

我们所需要的就是设计出将加速度值转换成电容值以便于测量的加速度传感器。

加速度计作为惯性器件最早用于宇航、汽车的导航中，作为最早实现商品化的产品之一的微加速度传感器的研究则始于八十年代初期。

加速度计还被用在生物医疗领域中进行活动监测；在消费类用品中，可以作为敏感仪器的稳定监控装置，如便携式摄象机中的像稳定装置，虚拟现实技术，三维鼠标和运动装置等；工业技术中的应用，如机器人控制，振动检测等；其它的应用，如运输过程中对货物冲击和振动情况的监测和控制；以及军事应用中制导系统等。

1.1.1电容传感器

电容传感器广泛的应用于多种检测系统中,用以测量诸如液位、压力、位移、加速度等物理量,传感电容的变化量往往仅有几个或几十个皮法大小。

（1.1）

其中：

ε是电介质的介电常数

S是极板正对面积

δ是极板间距

电容式传感器的基本原理就是物体间的电容量及其结构参数之间的关系，从上式看出我们有三种方式构成我们的电容传感器：

也就是电容传感器的三种结构即变间距式，变面积式和变介质式。

目前普遍采用的是变间距式，因为它对微小信号处理有利。

现在我们就由最基本的变极距型电容式传感器开始研究，然后落脚于差动电容加速度传感器，最后进一步分析传统的机械式差动电容传感器。

图1.1

图1.1就是最为基本的变极距型电容式传感器，可以看到他是由一片定极板和一片与被测物相连的动极板组成，当动极板因被测参数改变而引起移动时，就改变了两板间的距离从而改变了电容值。

由于电容值和被测物理量有直接或者间接的联系，所以我们就能够测量得到待测的参数。

我们再来对差动式电容传感器的工作原理和结构特点进行分析和讨论：

B1，B2——定极板

M——动极板（质量体）

x——动极板M相对于定极板B1，B2的位移

图1.2

图1.2

差动变间隙式电容传感器如图1.2所示，B1，B2两个定极板与动极板M分别组成电容器C1和C2，其中电容器C1的电容随位移x的减小而增大时，电容器C2的电容随位移x的减小而减小。

因此可推知，它比起单纯由一片定极板和一片动极板组成的变极距型电容式传感器灵敏度有了很大程度的提高，非线性误差也大为减小。

1.1.2加速度电容传感器

1——下固定极板；

2——壳体；

3——簧片；

4——质量块；

5——上固定极板；

6——绝缘体

图1.3

当被测方向出现加速度时，壳体因与外部连接而即时出现位移，而质量体由于惯性作用保持静止，因此相对壳体出现位移，质量体A面与上极板，B面与下极板分别构成的两个电容器电容值就会发生变化，从而构成一套差动电容传感器。

这样，就能够通过测量质量体的惯性运动所引起的电容值的变换，将加速度通过它与电容值之间的关系表示出来，从而达到测量加速度的最终目的。

1.2国内外发展动态

微加速度传感器是一种重要的力学量传感器,也是一种典型的微型机电系统。

从20世纪90年代开始,部分产品已经进入批量生产,并广泛地用于科学测量、汽车控制、军事和空间系统等领域。

随着科学技术日新月异的发展，特别是生物学、航天航空、国防科学等高新技术对微型加速度传感器的线性度、灵敏度、量程、响应时间等提出了更高的要求,促进了许多新型加速度传感器的出现。

微机电系统（MEMS）作为微米纳米科学与技术的一项主要研究内容，其目的在于开发物质潜在的信息和结构潜力，使单位体积物质储存和处理信息的能力实现又一次飞跃在信息、材料、生物、医疗等方面将导致人类认识和改造世界能力的重大突破，从而给国民经济和军事能力带来深远的影响。

因此，受到了美国、日本、俄罗斯和欧洲各国的高度重视，纷纷投巨资加以研究。

特别是电容式加速度传感器已经成为国内外新的研究开发热点。

1994年kuehnel等人发表的专利，由美国adi公司生产的ADXL50和ADXL05型加速度计是近年来微惯性加速度计的标志性产品。

它将惯性敏感单元，伺服电子线路和信号处理电路集成在一块Φ3mm的si基片上，其中机械部分采用表面微机械制作，电路部分采用BiCMOSIC技术制作。

2002年，ADI的100g产品ADXL190诞生，灵敏度18mv/g,带宽0.4KHz。

2003年由美国Michigan大学的Navid，khalilnajiafi等发表了采用LPCVD工艺制作Folded-Electrodestructure电极的文章，研制出可测10ug，失真1%的加速度传感器。

目前，休斯公司正在进行特别要求的高灵敏度，高过载能力和高g值测量的微型加速度传感器研究。

Draper正在进行用于惯导和武器装备的高灵敏度﹑高分辨率的微型加速度传感器的研究。

其中，利用DRIE等先进技术研制出的加速度传感器精度达到0.1mg，已经用于美国海军的EX-171增程制导炮弹。

有资料显示，美国国防部支付MEMS的研发基金逐年呈几何级数递增，而且成立了一个专门委员会来指导研究方向，分配和协调各项资源。

其中首要的研究方向就是惯性传感器，主要目的是把该最先进技术用于战略惯导武器，航天导航和新型战斗机等军用系统。

在欧洲，法国经过18个月的实验以后，于2000年由BAE系统公司成功地开发了直接打击目标的中程制导导弹应用的MEMS传感器。

在柏林，还有一个挂靠在柏林微结构技术研究所的ＮＥＸＵＳ情报机构，并投巨资对一些关键技术加以研究；俄罗斯的力学研究所，荷兰的德尔夫特大学等均积极开展精密微机械惯性传感器、微机电系统等的研究。

我国MEMS的研究始于20世纪90年代初，起步并不太晚，在“八五”，“九五”期间得到了科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科工委的支持。

经过10年的发展，我国在多种微型传感器，微型执行器和若干微系统样机等方面已有一定的基础和技术储备，初步形成了几个MEMS研究力量比较集中的地区。

重庆大学1997年成功研制出Si微阵列式加速度传感器，1998年底完成了引信系统用的硅力平衡式加速度传感器的研制，灵敏度达到3.25v/g，非线形小于0.1%；清华大学1999年研制成功叉指状电容式Si微加速度计；北京大学的Si微电容伺服加速度传感器灵敏度为3v/g。

河北半导体研究所的何洪涛等于2002年发表的梳齿状Si电容式加速度传感器，采用正面释放体硅工艺，已加工出的微加速度计，其非线性度为0.2%，带宽1khz，灵敏度为200mv/g。

中国工程物理研究院电子工程研究所传感器研究中心在“九五”末研制出最高量程达60g的“叉指式静点伺服微加速度计”。

尽管如此，我们的离国外最新水平还有很大差距，特别是加工工艺的落后，使得许多设计的很好的加速度传感器实现不了，这也是国内研究单位目前普遍面临的难题。

1.3现有电容加速度传感器结构设计分析

最基本的加速度传感器的差分电容结构,可以简单地表示为图1.4中所示的平行板电容模型。

A、C为上、下固定电极,可动质量块B其实是一个可动电极。

当质量块受到外力作用而产生位移时,由固定电极和可动电极构成的差分电容就发生变化,将变化量用外围电路检测出来就可测量加速度的大小。

图1.4

基于此原理形成的典型叉指式差分电容式加速度传感器的工作原理如图1.5所示。

图1.5典型叉指式差分电容式加速度传感器

传感器由两个差分电容组成，活动电极与两侧固定电极分别构成平行板电容C1和C2。

加速度为零时，悬梁的活动电极处在两固定电极极板的中间位置，C1=C2；当有加速度存在时，悬梁产生的变形使极板间的距离发生变化,于是两平行板电容值之差与加速度成正比，因此只要测量电容C1和C2就可以确定加速度的大小。

电容式加速度微传感器同样是以平行板电容器为基础的模型，平行板电容器是由两块彼此靠近的平行导体板组成。

上下电极分别为硼硅膜和玻璃电极，产生惯性力的质量块在硼硅膜上。

（如图1.