嵌入可動電極的微慣性傳感器的設(shè)計

MEMS電容式微慣性傳感器因其具有尺寸小、靈敏度高、穩(wěn)定性好、溫度漂移小、功耗低、很好的工作在力平衡模式下等等優(yōu)點，在軍事、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、消費電子、慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。和傳統(tǒng)探卡的組裝方法相比,MEMS技術(shù)顯然更適應(yīng)當(dāng)今的IC技術(shù)。 本首先分析了電容式微慣性傳感器的測量控制原理和系統(tǒng)動態(tài)模型，并在此基礎(chǔ)上通過三個方面設(shè)計出新型嵌入橫向可動電極的微慣性傳感器，分別是：支撐梁結(jié)構(gòu)、微執(zhí)行器結(jié)構(gòu)和檢測電容結(jié)構(gòu)。通過分別對以上三方面不同結(jié)構(gòu)模型的分析對比，在傳感器設(shè)計中選用U形梁結(jié)構(gòu)作為傳感器的支撐梁，電磁執(zhí)行器作為驅(qū)動力，梳柵結(jié)構(gòu)作為檢測電容結(jié)構(gòu)。

其中為了克服深反應(yīng)離子刻蝕關(guān)于深寬比不能做大的限制和降低噪聲，詳細(xì)介紹了電磁驅(qū)動增大傳感器初始檢測電容的工作原理，通過嵌入可動電極和電磁驅(qū)動作用減小電容間隙，結(jié)果表明，電磁驅(qū)動使得傳感器的電容間隙減小4μm，初始檢測電容由1.28pf增大到6.4pf。這種磁電阻效應(yīng)次由WilliamThomson于1857年在鐵樣品中發(fā)現(xiàn)。 根據(jù)以上理論分析和參數(shù)設(shè)計，給出了新型電容式微慣性傳感器的整體結(jié)構(gòu)模型，并利用有限元軟件Ansys進行。結(jié)果表明所設(shè)計的傳感器在非敏感方向上梁的剛度較大，軸向交叉效應(yīng)得到了有效抑制；傳感器的靜態(tài)位移靈敏度為0.659μm/g，施加電磁驅(qū)動前后的電容靈敏度分別為0.15pf/g和0.192pf/g，增大為原來的1.28倍；同時應(yīng)力分析結(jié)果表明，傳感器能夠抵擋1000g的加速度信號的沖擊而不被損壞。之后利用電磁分析軟件ANSOFT-Maxwell分析了邊緣效應(yīng)對傳感器性能的影響，表明小尺寸的傳感器電容的邊緣效應(yīng)不可忽略。

電阻應(yīng)變式壓力傳感器

將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性元件特定表面上，當(dāng)力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于彈性元件時，會導(dǎo)致元件應(yīng)力和應(yīng)變的變化，進而引起電阻應(yīng)變片電阻的變化。電阻的變化經(jīng)電路處理后的以電信號的方式輸出，這就是電阻應(yīng)變片傳感器的工作原理。

電阻應(yīng)變片應(yīng)用的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。針對光感元器件長久以來面對的長距離對射、漫反射鏡面反射等復(fù)雜的場景，M8101都能做到處理。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是 A/D 轉(zhuǎn)換和 CPU ）顯示或執(zhí)行機構(gòu)。

半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的一種敏感元件。片級芯片測試在IC制造工藝中已經(jīng)成為不可或缺的一部分,發(fā)揮著重要的作用,而測試探卡在圓片級芯片測試過程中起著關(guān)鍵的信號通路的作用。半導(dǎo)體應(yīng)變片需要粘貼在試件上測量試件應(yīng)變或粘貼在彈元件上間接地感受被測外力。利用不同構(gòu)形的彈元件可測量各種物體的應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、扭矩、加速度等機械量。半導(dǎo)體應(yīng)變片與電阻應(yīng)變片相比，具有靈敏系數(shù)高（約高 50～100倍）、機械滯后小、體積小、耗電少等優(yōu)點。

傳感器的作用（二）

4、壓力傳感器

作用：壓力傳感器主要以力學(xué)信號為媒介，把流量等參數(shù)與電信號聯(lián)系起來，可測量發(fā)動機的進氣壓力、氣缸壓力、大氣壓、油壓等，常用壓力傳感器可分為電容式、半導(dǎo)體壓阻式、差動變壓器式和表面彈性波式。

電容式多檢測負(fù)壓、液壓、氣壓，可測 20～100kPa 的壓力，動態(tài)響應(yīng)快速敏捷，能抵御惡劣工作條件；壓阻式需要另設(shè)溫度補償電路，它常用于工業(yè)生產(chǎn)；相對于差動變壓器式不穩(wěn)定的數(shù)字輸出，表面彈性波式表現(xiàn)異，它小巧節(jié)能、靈敏可靠，受溫度影響小。

5、氣體濃度傳感器

作用：被用來檢測各種氣體濃度。比如氧傳感器，多在發(fā)動機排氣管中，用來評價空燃比。目前應(yīng)用的有氧化鋯式和氧化鈦式。氧化鋯式更受歡迎，它能在一定溫度下將元件極板內(nèi)兩側(cè)氧濃度差化為濃差電動勢，成本低廉，而且測試結(jié)果受環(huán)境影響很小。

6、溫度傳感器

作用：溫度傳感器主要用于檢測動力系統(tǒng)和車內(nèi)的溫度，它使用了不同種類的電阻器：線繞式、熱敏式、熱偶式。和普通型一樣，它也有一個振蕩電路，電路中因感應(yīng)電流在目標(biāo)物內(nèi)流動引起的能量損失影響到振蕩頻率。線繞電阻式和熱偶電阻式精度比較高，但線繞電阻式響應(yīng)不及時，熱偶電阻式不能單獨使用必須搭配放大器和冷端處理，而熱敏電阻式雖靈敏但線性差，使用溫度有限，因此三種傳感器各有優(yōu)劣。

7、爆燃傳感器

作用：它被安裝在發(fā)動機機體上，可檢測氣缸壓力、振動和燃燒噪聲，判斷發(fā)動機的爆燃程度，再通過調(diào)整點火來排除隱患。爆燃傳感器常用磁致伸縮式。