电容式加速度传感器课程设计1003030304

随着科学技术的不断发展，自动化智能化一步一步走入人们生活中的每一个角落。

然而自动化与智能化的实现无疑离不开传感器。

传感器这个大家族之中，电容式传感器又占有举足轻重的位置。

电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。

缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。

本课程设计设计了一种基于MEMS的电容式测量加速度的传感器。

基于微机电系统( MEMS)技术的微机械加速度传感器具有体积小、质量轻、启动快、功耗低、易集成、可靠性好、抗过载能力强和成本低廉等诸多优点，在航空航天、汽车技术机器人技术、工业自动化、掌上电子产品等诸多领域得到了广泛的应用。

根据其敏感信号方式，可以分为微型电容式速度传感器、微型压阻式加速度传感器、微型压电式加速度、感器和微型隧道电流式加速度传感器等。

关键词：电容加速度传感器信号放大微电子机械系统
第一章绪论 (3)
1.1 课题研究的相关背景 (3)
1.2 选题的目的和意义 (4)
1.3 课题研究的内容 (5)
1.4 国内外研究现状 (5)
1.5 传感器目前存在的主要问题 (5)
第二章结构设计 (6)
2.1 微机械电容式加速度计的结构设计原则 (6)
2.2 微机械电容式加速度计的三种常见结构 (6)
2.3 电容式加速度传感器设计方法选择与优化 (7)
2.4 电容加速度传感器结构梁的设计 (10)
2.5微机械电容式加速度传感器的设计参数 (14)
2.6传感器工作原理及数据计算 (16)
2.7微机械加工工艺 (17)
第三章测控电路 (18)
3.1转换电路 (18)
3.2正弦波产生电路 (19)
3.3仪用放大器 (20)
3.4相敏检波电路 (21)
3.5滤波电路 (22)
第四章技术指标 (23)
4.1壳体固定要求 (23)
4.2滑块与壳体接触面的光滑度要求 (23)
4.3测控电路的要求 (23)
第五章传感器适用范围 (23)
5.1影响适用范围的因素 (23)
5.2加设重力加速度传感器 (23)
第六章总结与展望 (24)
6.1数据关系 (24)
6.2与书本上面的测加速度传感器对比 (24)
第七章总结与展望 (24)
7.1总结 (24)
7.2展望 (24)
参考文献 (25)
附录1 (26)
附录2 (27)
附录3 (28)
第一章绪论
1.1 课题研究的相关背景
传感器是一种应用非常广泛的设备，在各种自动控制过程中，它能迅速客观地反映出实际情况。

电容式传感器有很多，但原理相同。

平行板电容器的电容C 跟介电常数ε成正比跟正对面积成反比根极间的距离d成反比有：C=εS/4πkd式中k为静电力常量。

通过改变介质，极板距离，极板正对面积，这三个参数之一使传感器的电容发生变化，再通过电荷放大器，将电容变化或电量变化转换成容易用电
路处理电压或电流量。

这就是电容式传感器的特点，通过上面的原理可以做成很多传感器，比如测长度的，测角度，测空气粉尘，空气湿度，还有声音，振动等，精度很高，比如测振动的精度可以达到零零几个微米。

但是测长度的线性度不好，需要通过电路矫正，还有容易受到电路中的寄生电容的影响，所以电路设计的时候要很注意。

把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。

它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。

其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。

若忽略边缘效应平板电容器的电容为εA/δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。

δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。

因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。

极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)。

面积变化型一般用于测量角位移或较大的线移。

介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。

70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量表封装在一起的电容式传感器。

这种新型的传感器能使分布电容的影大为减小，使其固有的缺点得到克服。

电容式传感器是一种用途极广很有发展潜力的传感器。

测量物体相对于大地或惯性空间的运动，通常采用惯性式传感器。

惯性式传感器种类很多，用途广泛。

加速度传感器的类型有压阻式、压电式和电容式等多种，其中电容式加速度传感器具有测量精度高，输出稳定，温度漂移小等优点。

而电容式加速度传感器实际上是变介电常数电容式位移传感器配接“m--c”系统构成的。

其测量原理是利用惯性质量块在外加速度的作用下与被检测电极间的空隙发生改变从而引起等效电容的变化来测定加速度的。

本课程设计利用惯性原理，加速的变化使滑块动作，从而带动介子移动。

使电容的介电常数发生改变，通过测量这个介电常数的变化进一步反映加速的大小以及方向。

微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanic System）是一种先进的制造
技术平台。

它是以半导体制造技术为基础发展起来的。

MEMS技术采用了半导体
技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料，对半导体材料进行微米
或者毫米级别的加工。

随着硅微加工的迅速发展，各种器件开始出现，加速度传感器就是其中一种
运用比较成功、范围较广的器件。

它和其它种种MEMS器件一样，具有体积小、
质量轻、成本低、功耗低、可靠性高等特点，而且因为其加工工艺一定程度上与传统的集成电路工艺兼容，易于实现数字化、智能化以及批量生产，因而从问世起就引起广泛关注，并且在汽车安全气囊、心脏起搏器、地震检测等方面得到了广泛应用。

1.2 选题的目的和意义
课程设计是本专业教学实践环节的主要内容之一，是学习专业技术课所需的必要教学环节。

通过课程设计的教学实践，使我们所学的基础理论和专业知识得到巩固，并使我们得到运用所学理论知识解决实际问题初步训练；课程设计的我们应接触和了解实际局部设计，从收集资料、方案比较、计算、绘图的全过程，进—步提高我们—析、综合能力以及工程设计中计算和绘图的基本能力，为今后的毕业做好准备。

通过这次课程设计,掌握传感器的工作原理,了解简单多功能传感器组成原理，初步掌握多功能传感器的调整及测试方法，提高动手能力和排除故障的能力。

同时通过本课题设计与装配、调试，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立传感器的理论和实践的结合，了解多功能传感器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算各个单元电路。

1.3 课题研究的内容
本系统采用模块化设计传感器，在实际生活中广泛应用。

电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量的变化，实质上就是一个具有可变参数的电容器。

利用滑块的移动量转变为极板间距的变化，从而导致电容值的变化。

通过测控电路的放大、整流和A/D转换，然后利用单片机把加速的显示出来。

1.4 国内外研究现状
传感器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种实际场合，但目前所使用的传感器有的电路较复杂不便于制作,可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些专用的集成块 ,而专用集成块的购买又很困难。

为适应更多的实际生活需要而设计一个多功能传感器，这种传感器具有电路简单，元件普通 ,易于购买等优点,很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。

在国内外已经开始了普遍的应用。

1.5 传感器目前存在的主要问题
随着改革开放事业的不断深入，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样，传感器作为一种工具，已广泛应用于各种实际生活中。

但传感器器的使用频率校高，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。

作为一个单位若专购一个传感器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极多，往往因长期使用使（电子器件的）传感器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。

但目前多数传感器存在2个不足之处：
①输出具有非线性；
②寄生电容的影响往往降低传感器的灵敏度。

第二章结构设计
基于电容变化的原理来对加速度进行检测的微机械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。

2.1 微机械电容式加速度计的结构设计原则
微机械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微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。

2.2 微机械电容式加速度计的三种常见结构
微机械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
级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g
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。

2.3 电容式加速度传感器设计方法选择与优化
一种梳齿式微加速度计的活动敏感质量元件是一个为H形的双侧数尺结构，相对于固定活动敏感质量元件的基片悬空并与基片平行，与两端挠性梁结构相连，并通过立柱固定于基片上。

每个梳齿由中央质量杆（齿枢）向其两侧伸出可以运动，称为动齿（动指），构成可变电容的一个活动电极，直接固定在基片上
的为定齿（定指），构成可变电容的一个固定电极，定齿动齿交错配置形成差动电容。

利用数尺结构，主要是为了增大了重叠部分的面积，获得更大的电容。

按照定齿的配置可分为定齿均匀配置梳齿电容加速度计和定齿偏置结构的梳齿电容加速度计；而按照加工方式的不同又可分为表面加工梳齿电容加速度计和体硅加工梳齿电容加速度计；再者可按照控制方式的不同分为开环控制加速度计和闭环控制加速度计。

下面结合上述一些分类及特点，利用实例做一些典型分析。

2.3.1 表面加工和体硅加工定齿均匀配置梳齿式电容加速度传感器
表面加工定齿均配置梳齿式电容加速度计的典型结构如图2.1所示，每组定齿由∏型齿和两个L 型齿组合而成，每个动齿与一个∏型定齿和一个L 型定齿交错等距离配置形成差动结构。

该方案的主要优点是可以节省管芯版面尺寸，这对于表面加工的微机械传感器是适当的。

但由于表面加工得到的梳齿式结构测量电容偏小，影响了梳齿式微机械传感器分辨率和精度的进一步提高。

为了提高微机械传感器的分辨率和精度，一般采用体硅加工方法加工得到定齿偏置结构的梳齿电容加速度计。

图2.1 表面加工定齿均匀配置梳齿式电容加速度计的结构示意图
2.3.2 体硅加工定齿偏置结构梳齿式微机械电容加速度计
定齿偏置配置梳齿式电容加速度计的典型结构如图2.2所示、与表面加工的定齿均置的结构有所不同，定齿为单侧梳齿式结构；以敏感质量的纵向对称轴为界，左右两侧结构对称。

上下相对的定齿是电连通的，左侧定齿的电极性与右侧定齿的电极性相反。

敏感质量元件的每一个动齿与相邻的两个定齿的每个梳齿交错配置，整个结构形成以梳齿为中点左右对称，总体形成差动电容。

每一个动齿与两侧相邻的定齿之间的间距分别为0d 和0D ，0D 和0d 比值大于5：1以上，主
要敏感距离小的一侧形成的电容量，可忽略距离大的一侧的电容量。

形成的电容共分为两组：差动检测电容和差动加力电容。

图2.2 定齿偏置配置梳齿式电容加速度计的结构示意图
两侧的∏形定齿1S 、2S 为左右对称的检测齿，构成检测电极，分别与动齿
形成2s n 对差动检测电容，如图2.3所示。

L 型定齿1F 、2F 为左右对称的加力齿，
构成加力电极，与动齿形成2f n 对差动加力电容。

所有动齿定齿共同等效为1对
差动检测电容1s C 与2s C 和一对差动加力电容1f C 与2f C 。

图2.3 差动电容简化示意图
2.3.3 体硅加工定齿偏置结构的优点
由上述叙述，综合起来考虑，定齿偏置结构在版面利用和加工工艺上有很多长处，明显优于定齿均置结构。

下面表2.1是两种结构的比较。

表2.1 定齿均置与偏置结构的比较
2.4 电容加速度传感器结构梁的设计
结构梁在微机械加速度计的设计中是十分关键的一个部分，其参数与仪表的分辨率、量程、横向灵敏度等指标均有密切关系，称为微结构设计的重点之一。

微机械电容式加速度计常用的梁结构主要有悬臂梁、双端固定梁、L形梁、鱼钩梁、蛇形梁及斜置梁等。

2.4.1 各式微结构梁
采取何种形式的梁以及多大尺寸的梁，是需要进行优化选择和设计的。

其设计首先要在达到目标刚度的前提下，应使梁的长度最小，厚度最大，从而具有较高的强度；第二要满足同向性原则，即需要结构梁在敏感方向具有较软的刚度，而除了敏感方向外其它方向上的刚度最大，交叉了灵敏度要尽量减小，从而具有较强的抗干扰能力，减小其它方向对敏感信号的干扰。

最后，需要二阶及二阶以上模态频率远远大于检测模态的频率值。

常见微结构梁的结构示意图如图 2.4所示。

图中自左向右、从上到下分别是（a）悬臂梁、（b）双端固支梁、（c）折叠梁、（d）L型梁1、（e）L型梁2、（f）鱼钩梁、（g）蛇形梁、（h）斜置梁。

当各种微结构梁参数基本相同的情况下，比较几种微梁结构，同时考虑强度和制造工艺等条件，我们可以得出各种梁结构的自身特点。

具体见表2.2 。

表2.2 常见微结构梁性能特点比较
通过比较我们看出，折叠梁的综合性能较好。

折叠梁还具有结构简单，自身具有应力释放作用，能抵抗加工过程及其它热变化引起的膨胀变形，刚度、模态频率易调节等很多优点。

并且另外一个原因是折叠梁结构在很大的变形范围内，位移与作用力都保持线性关系。

当折叠梁内外两臂长不同时，在应力作用下梁易弯曲。

在保证梁刚度不变的情况下，把两臂不等长的折叠梁变为等臂长的折叠梁，可以减小整个折叠梁尺寸。

2.4.2 折叠梁刚度计算
在比较选择了折叠梁作为设计选取方案，我们有必要对梁的刚度有一定的认识。

我们不妨用折叠梁和双端固定梁作比，进一步定量的分析我们选择折叠梁的好处。

（1）双端固定梁刚度的计算
双端固定梁的微结构示意图在前文已表述。

由对称性可知，只需要分析一侧的梁就可以了。

图2.5即为敏感质量一侧梁的受力分析示意图。

设AB梁长为2l，宽为b，厚为h，中心点C受力为P。

由于梁AB受力情况关于C点对称，所以之需要分析AC就可以了，AC段的受力分析如图2.6所示。

图2.5 双端固定梁的一侧受力示意图
图2.6 AC 段受力分析和相应力矩图
由力学知识可以解得，AC 段梁各截面的弯矩与沿X 轴方向的变形为：
2231
(),
211
()()
4111
()()
212
A A A M X M PX X M X PX EJ X M X PX EJ θω=-=-=- (2-2)
其中，J —对Z 轴的惯性矩：3/12J b h =
由边界条件及点变形条件(0)0,0C θθ==解得：
2111(0)()0,,44A A M l Pl M EJ Pl
θ=
-== 1124
C A M M Pl Pl =-=-
2331111()()21224A X M X PX PX EJ EJ
ω=
-= (2-3) 即C 点位移为：3
1()24Pl X EJ EJ
ω== (2-4）
所以双端固支梁（单侧）Y 方向的刚度为：
3
24EJ
k l = (2-5) 由于结构对称，双端固支梁相当于两个单侧Y 方向的刚度的并联，由此可以
求得检测方向（Y 方向）的等效刚度为：
3
482Y EJ
K k l ==
(2-6) (2) 折叠梁检测方向的刚度
采用等臂长的折叠梁结构，敏感质量两端各由尺寸大小一样的折叠梁支撑，
取其中一端，受力分析如图2.7所示。

图2.7 （a ）（b ）分别是等臂长的折叠梁结构和受力分析示意图
采用等臂长的折叠梁结构，敏感质量两端各由尺寸大小一样的折叠梁支撑，取其中一端，受力分析见图2.11 。

设梁长'''',,AB CD l A B C D l ====宽为b ，厚为h 。

折叠部分'AA 和'DD 影响。

由式（2-6）可知，双端固支梁AD 和''A D 的刚度为：
(2-7) 此时，折叠梁相当于两个双端固定直梁AD 和''A D 的串联。

所以折叠梁检测
方向（Y 方向）的刚度为：
（2-8）
由图2.7可以看出，该加速度计结构相当于两个折叠梁的并联，所以可以求
得折叠梁Y 方向的等效总刚度为：
（2-9）
由此可见，相同情况下，折叠梁与双端固支梁在检测方向的刚度之比为1：
2 。

所以折叠梁性能优于双端固支梁。

通过上述分析，电容式加速度传感器的结构设计选取体硅加工工艺，选择折叠梁作为承载梁，实现闭环控制，设计出定齿偏置加速度计。

2.5微机械电容式加速度传感器的设计参数
在微机械电容式加速度传感器中，采用一个惯性质量块为敏感检测质量，检
测电容的一个极板制作在惯性质量块上有加速度作用时惯性质量块会沿检测敏感方向运动，从而改变质量块上可动极板与衬底上固定极板之间的容值，通过对
''''33333121212AD A D Y AD A D k k EJ E b h Eb h K k k l l l ⨯===⨯=+''3
24AD A D EJ
k k l
==333
242m Y EJ Eb h
k K l l
===
该电容值的测量即可得到加速度的值 这种结的传感器受环境影响较大，检测信号容易被干扰噪声淹没，难满足高灵敏度和高精度要求 因此在工程实际应用中一般用差动结构(图 2.8)差动测量的两部分受到的干扰噪声号基本一致，可以通过差分计算有效提高传感器的信噪比。

图2.8 （a ）动极板示意图 （b ）差动式结构示意图
偏置式电容加速度传感器结构示意图如图2.8所示，水平方向为敏感方向。

梳状电容极板当水平方向有加速度，质量块由于惯性力作用，向水平方向有位移，从而改变极板间距d ，从设计结构可知，梳状电容器左右上下形成差分式电容。

微机械加速度传感器可化为质量—弹簧—阻尼系统，由牛顿第二定律可知等下力学模型为：
)()
()()(2
2a t kx dt t dx c dt
t x d m t ma F ++== （2-10） F
a
为外部加速度引起的冲击力。

查阅相关资料可设计：
● 质量块的质量-7101.838m ⨯=kg ， ● 弹性弹簧梁k=101N/m ，
● 质量块长度M L =1500μm 宽度m 650μ=M W ● U 型梁长度=U L 600μm 宽度m 10μ=U W
● U 型梁圆弧部分半径m 35μ=U R
● 梳齿极板长度m 500μ=S L ， 重合部分长度m 450μ=L
宽度m 8μ=S W
● 厚度均为H=80μm
● 检测动梳齿总数n=48， ● 初始间距0d =4.5μm 。

2.6传感器工作原理及数据计算
差动式电容可等效为图2.9形式： A
图2.9 差动式电容简化极板电路
单个可动极板和其对应的固定极板构成的电容为 0
00
0210d H
L d S
C C C εεεε=
=
== （2-11）
敏感方向有加速度作用，敏感质量块受到一加速度方向相反的作用力，使质
量块偏离原来平衡位置，产生一下段位移d ∆，可动极板和固定极板之间的电容变化为：
d
d S
C ∆+=
001εε ， d
d S
C ∆-=
002εε （2-12）
由于采用差动式静电力作用反馈电路，d ∆<<0d ：
2
02200000021022C d d
S d d d S d
d S
d
d S
C C ∆-≈∆-∆-
=∆--
∆+=
-=∆εεεεεεεε （2-13） 敏感方向的位移:
k
ma
d -
=∆ （2-14） 由2-13和2-14可得：
a kd Sm
C 2
02εε=
∆ （2-15） 空气的相对介电常数ε=1，真空的介电常数0ε1--12m 10845.8∙⨯=F ，由设计参数可计算得出：
初始检测电容为。