微电容加速度计

微电容加速度计（精选4篇）

微电容加速度计 篇1

摘要：阐述了三明治式电容微加速度计的工作原理,并在此基础上介绍了一种具体的三明治式微加速度计的设计:采用一种通用的电容读取电路MXT9030实现对电容式微加速度传感器的信号检测,通过微控制器的控制,调节MXT9030电路的内部参数,使加速度计系统具有良好的线性度及灵敏度。实验结果表明,该设计可满足较大范围内的电容差分信号输入,并具有良好的检测灵敏度和线性度。

关键词：微电容加速度计,MEMS,MXT9030,微控制器

0 引言

加速度计 又称比力 传感器 , 是一种以 牛顿惯性 定律为理 论基础的 惯性器件 , 用来测量 运载体的 加速度值 。 加速度计 作为惯导 系统的关 键元件之 一 ,在军事 、航空 、 航天等多 个方面得 到了广泛 的应用 。

MEMS器件以其 微型化的 优势 , 在汽车 、 电子 、 家电 、机电等行 业和军事 领域越来 越突显出 广阔的应 用前景 ,尤其是近 些年来随 着航天和 武器装备 技术的不 断发展 ,更加要求 电子系统 小型化 、低成本和 高可靠 。

电容式加 速度计是 一种典型 的MEMS器件 , 主要由敏 感质量块 和检测电 路两部分 组成 。 敏感质量 块所承受 的加速度 能使其产 生位移 , 导致电容 大小发生 变化 ,检测电路 能将检测 到的电容 变化转换 成电压变 化 ,从而将被 测非电学 的加速度 信号转换 成电信号 。 由于微加 速度计结 构的微型 化 , 其电容总 量一般在 几十个皮 法内 ,电容变化 量则更小 ,因此要求 检测电路 必须具有 非常高的 灵敏度才 能准确地 检测出该 信号 。 本文所述 的一种电 容式微加 速度计具 有典型的 三明治结 构 ( 如图1), 采用北京 时代民芯 科技有限 公司的电 容检测芯 片MXT9030作为检测 电路的主 要组成部 分 ,并使用微 控制器配 合来实现 对该芯片 的内部参 数的调节 和配置 ,使加速度 计整体系 统能够达 到最佳工 作状态 。

1 差分电容检测原理

如图1所示 , 在微加速 度计中 ,M是面积为S敏感质量 块 ,与上 、下固定电 极构成差 分电容 。

当外部加 速度为0时 , 质量块位 于中间平 衡位置 ,与上 、 下极板间 的原始距 离均为d0, 块 - 板间电容C1 = C2 = C0 = εε0S / d0; 当有加速 度作用于 加速度计 时 , 敏感质量 块偏离平 衡位置 ,产生位移 △d,C1≠C2。 假设产生 向上的位 移 ,则有 :

由于结构 应力和静 电力反馈 , 质量块位 移较小 ,△d远远小于d0, 忽略高次 项可得 :

通过式 (3)检测出差 分电容 △C,就可得到 加速度信 号的大小 和方向 。

为检测加 速度 , 通常在上 、 下固定极 板上分别 施加互补 (相位相差180°)的高频方 波信号VS, Vout1、 Vout2分别表示 上 、 下极板与M间的输出 信号 , 综合以上 几个公式 ,可得知上 、下极板间 输出的交 流感应信 号Vout:

接口电路将敏感质量块上的交流电压信号放大,经解调电路解调后,由滤波电路输出一个与加速度一致的电压信号。

2 微弱电容信号检测电路

本文设计 的微弱电 容信号检 测电路的 功能框图 如图2所示 。

MXT9030是一种高精度的电容 - 电压转换电路 , 对输入信号可进行数字可编程调节与补偿。 该电路主要用于差分电容传感器、微机械压力传感器、流体传感与控制、便携式传感器等传感器应用领域。

MXT9030是一种适 用于差分 电容传感 器的可编程信号转换器件, 模拟信号通道对传感器信号进行放大 ,并为零位 、跨距 、零位漂移 、跨距漂移 和传感器线 性误差提供 数字校正 ,通过设置 芯片上的 寄存器值 实现 。 MXT9030的内部工 作原理图 如图3所示 。

从图3中可以看 到 ,电容CS1、 CS2的电荷量 依靠C-V转换器进 行读出 ,具体过程 是通过发 送方波到C1和C2上作为驱 动 ,然后读出 从CM中转移出 来的电荷 量以进行 下一步处 理 。 引脚REF在默认情 况下与输 出放大器 相连接 , 产生的VREF作为内部 参考 , 它的值必 须接近 ( VDD+ VSS) / 2 。

具体工作 流程如下 :MXT9030是基于模 拟信号通 道并通过 数字控制 来实现电 容信号到 电压信号 的转换 ,通过电路 中的配置 参数实现 对非线性 和偏置等 误差的调 整补偿 。 电容到电 压的转换 由两个阶 段完成 ,第一个阶 段是电容 - 电压的转 换阶段 , 系统通过 对寄存器COFF、 CCOMP的设置来 实现偏置 的补偿 , 通过寄存 器CNOM、 CDEN实现非线 性的补偿 ; 第二阶段 是增益放 大阶段 , 其中增益 的设置通 过寄存器GAINH,GAINL来控制 , 并通过对 寄存器ROFF的设置实 现精细偏 置校准 。 当CS1= CS2时 ,输出电压 等于内部 参考电压VREF( VOFF为0)。 因此可以 依据VOUT- VREF的值来检 测CS1, CS2是否相等 。 此外 ,MXT9030提供一个 两线数字 接口用于 对其内部 寄存器的 读与写 。 该接口为 双向的 ,MXT9030总是从属 设备 。 SCK引脚用于 时钟 ,SDA引脚是双 向引脚用 于传输数 据 。 在开始传 输数据之 前有一个 开始条件 ( 读和写命 令 ), 即当SCK总是高电 平时 ,SDA有一个从 高电平到 低电平的 下降沿 。

3 微控 制器

微控制器 选择的是 北京时代 民芯科技 有限公司 的MXT430电路 , 其原理如 图4所示 。 微控制器 采用低功 耗设计和16位精简指 令结构 , 具有5种低功耗 模式 ;CPU内置16位寄存器 及常数发 生器 , 能够实现 最高的代 码效率 ; 锁频环FLL+ 和数控振 荡器使得 微处理器 能在6微秒内从 低功耗模 式快速切 换到工作 模式 ;该微控制 器配置有 两个内置16位定时器 、 一个比较 器 、 一个SCAN接口模块 、96段LCD驱动器和48个I/O引脚 。

MXT430可与传感器 构成数据 采集系统 , 捕获模拟 信号并转换为数字信号,处理数字信号并传送到主系统中。

4 应用 分析

本电路输 出电压与 待测电容 的关系为 :

将传感器 电容值和 微控制器 配置参数 代入以上 公式 ,即可求出 电路的最 终输出 。 其中 ,VM为C-V转换后得 到的电压 输出 ,VOFF为偏置电 压 ,VREF为参考电 压 , CCOMP为非线性 补偿电容 。

本文搭建 的加速度 计系统进 行了两方 面的测试 , 一是在静 态条件下 ,MEMS传感器受 到加速度 为0 g, 通过改变MXT9030电路的寄 存器参数 配置 , 查看电路 输出值 , 结果显示 各配置字 有效地调 节了电路 参数 , 电路功能 正常 ; 二是对量 程为±60 g的加速度 计系统进 行动态测试 , 测试仪器 为离心机 , 在不同加 速度条件 下测量电 路输出值 ,然后对数 据进行处 理 ,得到各阶 系数及残 差 , 如表1所示 。

该实验表 明 ,MXT9030电路用于 电容差分 信号检测 ,可检测电 容范围大 ,可调整参 数多 ,能对传感 器误差进 行较大程 度的补偿 ,而且电路 转换精度 高 ,可靠性强 。

5结论

本文采用 高精度电 容读取电 路MXT9030对差分电 容信号进 行检测 , 微控制器MXT430对其寄存 器进行配 置 , 前端为量 程±60 g的三明治 式电容MEMS加速度传 感器 。 实验结果 表明 ,MXT9030电路输入 范围大 ,可调余地 广 ,性能稳定 ,与电容性MEMS传感器的 适配性强 。

微电容加速度计 篇2

近年来, 随着大型建筑结构 (如大跨度斜拉桥、超高层建筑、水坝等) 建设数量的增多, 结构的安全性和耐久性问题日益受到人们的关注。基于结构动力学理论和现代振动测试技术的结构整体性安全评估技术方法是通过布设在结构上的加速度传感器拾取结构的振动信息, 然后利用识别的结构模态参数评定结构的损伤情况。加速度传感器作为振动测试系统的基本组成部分, 在整个系统中起着举足轻重的作用。传统的传感器是将测量的物理信号转换成电信号或电压或电流, 再通过传输电缆将信号发送到监测中心进行处理和存储。这在大型建筑结构振动测试过程中产生了诸如系统布设困难、施工周期长、信号易受外界环境噪声干扰、缆线易损坏等问题, 这些问题随着微控制单元、无线通信技术和MEMS技术在传感器上的应用-无线传感器技术的发展, 得到了较好的解决。

本文阐述了基于MEMES的微电容式无线加速度传感器应用于大型建筑结构的微弱信号检测设计, 给出了无线传感器的系统框图及其硬件实现方法。

2.无线加速度传感器的整体设计方案

区别于传统传感器只能作为敏感元件, 检测物理量的变化。无线加速度传感器由数据采集单元 (传感器、滤波、放大和A/D转换等) 、数据处理单元、数据无线收发模块和电源构成, 如图1所示。

3.硬件设计实现

3.1 数据采集单元电路

加速度传感器、低通滤波器和模数转换器 (ADC) 构成数据采集单元, 数据经转换处理后以数字信号方式通过无线链路传输, 降低了外界环境噪声的干扰, 提高了数据的可靠性。

3.1.1 加速度传感器及其测量原理

加速度传感器用以拾取结构的振动信号, 并将振动信号转化为电信号, 它的精度将直接影响到无线传感器的精度。因此, 必须综合考虑传感器芯片的尺寸和能耗等因素, 选基于MEMS技术的单集成芯片, 该芯片内的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, 从而引起电容的变化, 电容值的变化引起电容两端等效电压值的改变, 振动信号即转换成电信号输出。

此外, 由于该类芯片内部充满氮气, 为惯性质量和外部电极板之间的微小间隙提供了最佳阻尼, 从而使加速度传感器在较宽的温度范围内产生平坦的频率响应。

3.1.2 低通滤波器电路设计

由于大跨度桥梁等大型建筑结构的自振频率较低, 而桥面振动、桥梁负荷冲击等对振动信号的影响又相对较大, 因此, 在AD采样之前需对模拟信号作抗混滤波处理, 以滤除高频干扰。据此设计了一个有源二阶低通滤波器, 其电路如图2所示。

传感器输出的模拟信号经有源二阶低通滤波器的处理, 可有效地提高信噪比。

3.1.3 模数转换器 (ADC) 的选择设计

为了保证模拟信号的转换精度和转换数率, 选用的芯片应具有精度高、线性度好、功耗低、低噪声、转换数率高等特点, 只有具备这些特点的芯片才能满足所设计无线加速度传感器的数据转换要求。

3.2 微控制器的设计选择

无线传感节点中一般采用小型、低功耗的嵌入式微控制器作为处理单元。因微控制器有很宽的工作电压范围, 因此可直接与无线通信模块配合使用。为了减少能耗, 微控制器可以对电源进行有效管理, 包括保持、休眠、空闲和电源降低模式。

3.3 无线收发模块及天线

无线通信模块在考虑低功耗的基础上, 尽量选用高传输速率的无线通信芯片。低功耗、高性能嵌入式无线模块工作在ISM频段, 无需单独申请频段, 通道切换时间<650μs采用曼切斯特编码, 最大传输数率达100kbps, 待机功耗仅为2.5μA。通过SPI接口与处理单元进行数据交换, 完成数据的无线传输, 实测最大传输距离 (室外) 达500m。天线是数据传输单元的重要组成部分, 天线必须具有抗干扰能力强、传输距离远和安全可靠等优点。

3.4 电源

根据无线节点的功耗, 可选用锂电池, 因锂电池具有安全、可靠、可充电等特性。并通过一定的方式给加速度传感器芯片、微控制器及无线收发模块供电。

为了降低无线传感器的功耗、节约电池能量、延长工作周期, 当传感器不工作时, 将处于休眠状态, 当无线加速度传感器处于休眠状态时, 其总体功耗将大大降低。需要采集数据时, 基站向相应的无线传感器发出唤醒命令, 使其重新进入工作状态。

4.结论

本文主要介绍了基于MEMS的微电容式无线加速度传感器的硬件设计。集成的无线加速度传感器集成了信号检测、滤波、处理和无线通信等功能, 具有精度高、抗干扰能力强、低频特性明显、布设简便等特点, 达到了大跨度结构振动测试的精度要求, 表明无线传感器网络技术在土木工程领域具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]Lynch J P.2002.Decentralization of Wireless Monitoringand Control Technologies for Smart Civil Structures[D]Ph.D.Dissertation, department of civil and environmental engineer-ing.Stanford University, 2002, 036, 12-14.

微电容加速度计 篇3

在水声领域, 矢量水听器可测量声场中的矢量参数, 实现在一个点上对水声场的完全探测, 常用于声纳系统中对目标声信号的探测。随着安静型潜艇和舰船的出现, 对探测该类装备的矢量水听器提出了低频、高灵敏检测的要求。传统的压电原理矢量水听器灵敏度通常在-200d B左右, 但是由于安静型潜艇的本征噪声较低, 使它在该频段无法进行水声探测[1]。因此矢量水听器亟待解决提高检测灵敏度、向低频或甚低频带拓展等难题。加速度计作为同振式矢量水听器的常用核心部件承担着对信号的拾振任务[2,3], 电容式加速度计的优势是可以测量直到零频的低频范围, 适用于低频测量, 而且具有结构简单、灵敏度高、动态特性好等特点[4]。本文设计的一种差分电容式加速度计面向矢量水听器高灵敏度、低频特性需求, 对它的研究分析具有必要性。可以通过本文的研究, 使未来的设计更趋合理化。

1 差分电容式加速度计工作原理

差分电容式加速度计利用力学变化量使电容器的参数发生变化来实现信号变换, 它的电容器由上下两个固定极板和中间的一个可动极板组成, 通过改变电极之间的距离来实现加速度测量。当一对电容的间距变小时, 另一对电容间距同时增大, 对于介电常数为ε, 极板正对面积为S, 极板间垂直距离为δ, 电容极板间距离变化量为x, 所产生的电容变化为:

上式取线性部分, 去掉高阶小量, 可得到电容变化量为

当有加速度输入时, 质量块由于惯性力作用而发生位移, 位移变化量与输入加速度的大小有对应关系, 可以描述为一个单自由度二阶弹簧阻尼振动系统[5], 只要测得传感器的差动电容变化值就可得到加速度的大小。加速度计灵敏度s见公式 (3) 。

2 加速度计结构设计与分析

设计的加速度计芯体主要由四层硅结构组成, 上、下硅层为差分电容的上、下电极板 (即定极板) , 中间部分由对称的具有梁膜结构和质量块的硅结构键合形成中间极板 (即可动极板) , 如图1所示。电容极板材质应选用高浓度掺杂的导电硅, 这样可以避免在上下面设计电极引线结构, 满足了接口电子线路必须置于传感器的邻近处的要求, 从而减小寄生电容。

加速度计的一个重要性质是离轴灵敏度, 即器件应对一个方向的加速度敏感, 而对其它方向的加速度不敏感。单悬臂梁结构中, 加速度会使质量块绕某一轴转动, 造成悬臂梁的扭转;双悬臂梁结构中, 由于质量块的中心位于悬臂梁平面之下, 仍然造成悬臂梁的弯曲, 这种弯曲不能与被测加速度造成的弯曲相区分;四梁或八梁结构中, 加速度造成质量块的平移, 而其它两个方向造成质量块的转动, 这些效应可以分别被检测出, 离轴灵敏度较低。但是多悬臂梁结构的问题是存在悬臂梁的残余应力, 而且大的挠度使梁产生张力, 形成非线性加速度。本文设计的四梁-质量块结构, 避免了弹性梁的根部落在质量块的轴向位置上, 这样质量块绕加速度作用方向有一个小的转动, 缓解了梁的应力, 如图2所示。

为了进一步满足高灵敏度的设计要求, 将弹性梁设计为折叠梁结构。这是因为折叠梁与直梁相比具有更小的刚度, 可以在惯性加速度作用下产生更大的形变, 从而带动质量块产生大的位移。由于折叠梁中间的短梁短且粗, 在分析折叠梁变形及质量块的位移时可以忽略其影响。折叠梁相当于两个单端固支梁的串联, 本传感器的挠性结构相当于四个折叠梁并联, 由工程力学可得材料杨氏模量为E, 长度为l, 宽度为b, 高度为h的折叠梁总刚度为

敏感结构的检测模态频率为

可见, 加速度计的固有频率随弹性梁长度的增加而减小, 随宽度的增加而增大。

3 有限元分析结果

利用有限元分析法, 对结构进行仿真分析。加速度计量程设计为3g, 自重1g。质量块的尺寸为 (3390×3390×530) μm, 折叠梁的长度为1400μm, 宽度140μm, 厚度22μm。分别对单层硅结构和四层封装结构施加载荷进行计算, 质量块最大位移均为1.4μm, 位移变化和应力分布结果如图3所示。

为了确定尺寸参数与结构各阶振动谐振频率的关系, 我们对结构进行模态分析, 根据分析结果, 采用合理的尺寸搭配, 拉开敏感方向振动谐振频率与非敏感方向振动谐振频率的差距, 达到增大敏感方向振动而抑制非敏感方向振动的目的。表1列出了前三阶模态频率, 可以看出二阶及以上模态都远高于敏感模态的频率, 说明这些模态的振动对传感器的敏感模态影响很小。

4 阻尼设计与分析

一般情况下, 系统的阻尼系数在0.6~0.7之间, 如果进行适当的阻尼设计, 器件的工作频率可达固有频率的90%, 其瞬态特性也可大大改善。传感器的低频工作特性要求, 结合仿真结果, 我们适当的降低系统阻尼。在低频振动时, 系统阻尼与介质密度、介质中声速及面板表面积相关。由于梁膜结构与质量块之间的间隙在微米量级, 我们选定加速度计的阻尼介质为空气。这样, 仅可对面板表面积参数进行调整。通过设计排孔结构, 可以减小面板表面积, 从而减小由质量块之间空气引起的压膜阻尼, 达到减小阻尼的目的。

在这种模式中, 阻尼由流体经过小孔引起, 阻尼力与表面积成正比, 与排孔数成反比, 与开孔面积和表面积之比成反比。可以通过在非梁膜结构的区域设计了小孔来降低系统阻尼。

5 结束语

本文从理论上分析并设计了一种具有“四折叠梁-质量块”硅结构的差分电容式加速度计, 通过有限元分析验证了部分特性。表明本文的设计具有技术可行性, 为该类加速度计的设计提供了设计依据。该传感器研制将可用于矢量水听器, 满足其高灵敏度、低频响应的要求。

摘要：介绍了一种用于矢量水听器的差分电容式加速度计, 其芯体采用对称的“四折叠梁-质量块”硅结构。在理论上, 对加速度计离轴灵敏度和弹性梁选取进行了分析, 给出了结构参数。通过有限元分析, 计算出了质量块的最大位移量和折叠梁的应力分布情况。振动模态分析发现二阶及以上模态的振动对加速度计的敏感模态影响很小。最后对系统的阻尼进行了分析。本文为该类加速度计的研制提供了设计依据。

关键词：矢量水听器,加速度计,弹性梁,阻尼

参考文献

[1]陈丽洁.微型矢量水听器研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2006.

[2]洪连进, 等.二位同振柱形组合矢量水听器[J].应用声学, 2005 (3) .

[3]Kainam T W Beam Patterns of an Underwater Acoustic Vector Hydrophone Located Away From Any Reflecting Boundary[J].IEEE Journal of Engineering, 2002, 27 (3) .

[4]刘亮, 等.先进传感器及其应用[M].北京:化学工业出版社, 2005 (6) .

微电容加速度计 篇4

次日, 工控机恢复记忆, 设置剂量率恢复原设置, 做治疗时机器再次报“充电过荷”故障, 再次把剂量率进行重设, 完成治疗。同时考虑更换氢闸流管, 治疗正常进行1个月, 把新管 (国产) 更换后, 机器再报原先故障, 重复开机, 重复报故障, 同时引起偏转电源控制箱开关合不上。说明偏转电路上存在短路, 查偏转线圈和偏转电源, 以及连接电缆。首先查偏转线圈连接电缆和接头, 有无破损。结果完好。上电故障依旧, 把偏转线圈连接电缆从偏转电源控制箱接线端断开, 测量偏转线圈和连接电缆对金属外壳有无短路 (考虑机架长期运转) , 结果无。在拆除线圈和电缆情况下开机, 故障依旧。至此说明短路点在偏转电源控制箱内。拆开外盖检查, 外观无明显痕迹, 查短路, 发现一个标称值2700 μF耐压450V电解电容瘪了一些, 但不明显, 把电容从电路拆开, 用DT6013B电容表检测, 测量值只有标称值二分之一。用MF-47型机械指针万用表R×10电阻档测量, 指针指零该电容己经短路。测量箱内其它电容, 测量值与标称值接近。同时查其他元器件无异, 因一时找不到这样大电容, 所以用3个680 μF和3个330 μF, 耐压450 V电容替换, 采用并联法, 实测达到所替换电容量。开机故障信息全部解除, 到预热时间, 机器出束正常。

综上所述, 当状态显示出现故障信息时, 首先考虑氢闸流管因素, 而仅凭外观和机器相关信息进行判断, 缺乏科学依据, 把氢闸流管灯丝电压降0.5V也能用, 好坏标准无法界定。这时, 有条件可以到专业实验室检测, 以减小维修中盲目性。该故障是由于偏转电源所引起, 开始时把治疗模式设置降低后, 负载功率降低, 机器还能维持运行, 但已到正常运行临界状态, 最后至电容完全损坏, 导致加速器无法正常启动。

参考文献

[1]顾本广主编:林郁正;赖启基;赵洪斌等, 《医用加速器》[Ⅰ]北京:科学出版社, 2003