硅微电容式加速度传感器结构设计

¹1998-11-26收稿;1999-01-25定稿

º本刊通讯编委

第20卷第4期

半 导 体 光 电

Vol.20No.4

1999年8月

Semiconductor Optoelectronics

Aug.1999

文章编号: 1001-5868(1999)04-0237-04

硅微电容式加速度传感器结构设计

¹

吴 英,江永清,温志渝º,胡 松

(重庆大学光电工程学院,重庆400044)

摘 要: 通过建立传感器的力学模型,对硅微电容式加速度传感器的特性作了详细的分析与讨论,为系统结构的优化设计提供了理论基础。

关键词: 硅微机械 电容式加速度传感器 PWM 调制中图分类号: TP212 文献标识码:A

Structure optimization design of silicon micro capacitive accelerometer

WU Y ing,JIAN G Y ong-qing,WEN Zhi-yu,HU Song

(Optoelectronic Engineering C ollege,C hongqing University ,Chongqing 400044,China)

Abstract: In this paper,the property of silicon micro capacitive accelerometer is analyzed and discussed by establishing the model of sensor,laying the foundation for optimization design of sensor system structure.

Keywords: silicon m icromachine,capacitance-ty pe accelerometer,PWM modulating

1 引言

硅微力平衡电容式加速度传感器是在电容式加速度传感器的基础上发展起来的,以牛顿第二定律为理论基础,通过检测电容变化从而测得系统所承受的加速度的大小。在这种检测模式下,传感器的性能主要由梁和质量块的结构决定,在质量块一定的情况下,梁越长,传感器的灵敏度越高;在梁长一定的情况下质量块越大,传感器越灵敏。由此,在传感器几何尺寸一定的情况下,通过对传感器的静态特性、动态特性以及测量范围的分析,可实现传感器结构的优化设计。

脉宽调制(PWM )的硅微力平衡电容式加速度传感器的工作原理如图1所示,该传感器是由动极板和上下定极板构成的硅敏感元件。上下定极板是淀积有薄膜电极的玻璃,动极板是带质量块的硅微悬臂梁结构(利用硅的表面加工和体加工技术形成)。

图1 加速度传感器工作原理图

F ig.1Schematic diagram of w orking principle of accelerometer

硅微力平衡电容式加速度传感器受到加速度作用时,动极板将偏离其中心平衡位置,使上下极板与中间动极板所构成的电容值发生变化,通过电容差值检测电路,输出与动极板位移成正比的电压,利用脉宽调制电路产生控制动极板平衡的脉冲反馈信号,改变该反馈信号的脉冲宽度可以改变作用在动极板的静电力(静电力与脉冲宽度成正比),使动极板保持在中间平衡位置。

传感器系统的传递函数框图如图2所示。当增益较大频率较低时,传递函数为[1]

W (s)=D (s)a(s)=

2m d 2

E A V 2h

(1)

式中,m 为动极板的质量,d 为动极板与定极板之

间的距离,E 为气体介电常数,A 为电极板面积,V h 为脉宽调制信号的电压峰值。图2中,a 为传感器的加速度,K 和k z 分别为系统的阻尼系数和刚度,s 是拉普拉斯常数,D 为脉宽调制信号的占空

比。

图2 传递函数框图Fig.2 Diag ram o f tr ansfer function

2 静态特性分析

加速度传感器的静态特性(灵敏度)由质量块和

梁的刚度决定。在加速度作用下,如图3所示的两种结构的加速度传感器,会产生不同的运动形式。由悬臂梁结构支撑的质量块会产生一定的倾斜,而四梁结构支撑的质量块只作平移运动(分析中我们认为质量块是刚体,不产生形变)

。

(

a)

(b)

(a)双悬臂梁结构;(b)四梁结构图3 两种结构的加速度传感器

(a)Double cantilever support;(b)Four-beam support

Fig.3 T wo kinds of accelerometer

2.1 双悬臂梁结构的灵敏度函数

由图4(a)所示的双悬臂梁结构的力学分析简

图可知扰曲线为

[2]

y (x )=-12M EI

x 2-16F EI x 3

0[x [l b (2)式中,E 为扬氏模量,I 为惯性矩。

质量块的位移曲线:

y m (x )=y x =l 1+y .x =l 1(x -l 1)=

2mal 1

Eb 1h 31

[3ll 1-l 2

1+(6l -3l 1)@ (x -l 1)] l 1[x [l 2

(3)

式中,b 1为梁宽,h 1为梁厚。由电容式传感器的特

点,可得灵敏度S :

S =

6m d (l 2-l 1)(2ll 1-l 2

1)Eb 1h 31

(4)

2.2 四梁结构的灵敏度函数

由图4(b)所示的四梁结构的力学分析简图,可

得质量块在竖直方向上的位移为:

z =

ma k z

k z =4Eb 1h 31

l 3

1

(5)

同理,可得其灵敏度S :

S =

m 2d l 31

Eb 1h 31

(6)

(a)

(b)

(a)双悬臂梁结构;(b)四梁结构

图4力学分析简图

(a)Double cantilever support;(b)Four -beam suppo rt

Fig.4 Scheme of for cing analysis

在质量块长度一定的情况下,可得传感器的灵敏度-梁长,灵敏度-梁厚的关系曲线如图5(a),(b)所示。由上述分析可知传感器的灵敏度与梁的几何结构和质量块的几何长度有一定的关系;悬臂梁结构的传感器,其灵敏度远远高于四梁结构的传感器。通过力学分析,我们还能得到梁所受的应力应变与传感器的结构的关系。

3 动态特性分析

传感器的动态特性主要由传感器的频率特性决

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