MEMS传感器的原理与构造——MEMS电容式加速度计

2023-10-21 13:50

本文主要是介绍MEMS传感器的原理与构造——MEMS电容式加速度计,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

一、序言

        MEMS传感器是当今最热门的传感器种类,MEMS技术使传感器微型化、低功耗、集成化成为可能,是未来传感器技术的发展方向之一。传感器技术的演进趋势,是向着超小型化或微系统技术(MST)发展。这方面的一个子系统就是MEMS(微电系统)。MEMS器件兼具电子和机械部件,这意味着其中至少有一种可移动或可形变的部件,而电则是其运作的必需部分。

        微工程学的两大构成,是微电子学和微细加工。在硅片上制造电子电路的微电子学,已经是充分发展的技术。微细加工指的是用于制造微工程学器件的结构和运动部件的技术。

        微工程学的主要目的之一,就是要能够把微电子电路集成到微机械结构之中,制造完全集成化的系统(微系统)。与微电子工业中制造的硅芯片一样,这种系统也同样具有低成本、高可靠性以及小尺寸的优点。

        硅微细加工技术也是已充分开发的微细加工技术之一,因此硅成为用于微系统制造的最佳材料。硅材料有着十分有用的电特性和机械特性。利用这些特性,通过MEMS加工技术,硅材料可广泛用于诸如压力、温度、力及触觉传感器等器件的制造。

        利用在电子电路芯片的制造中已经充分完善的同样方法,薄膜和光刻制备工艺等,能够实现各种各样极其微小和极高精度的机械结构。这些大批量制造技术可用于制造复杂和微型的机械部件,这是用其它方法难以做到的。

二、加速度计的原理

        加速度计需要特殊的、相对较重的部件,其移动滞后于加速度计外壳的移动,而加速度计的外壳则结合至待测物体。所以位移换能器可用来产生加速度作用形成的电信号。

        这个重的部件通常称为激振质量、惯性质量或检测质量。无论传感器设计或转换技术如何,测量的最终目标是检测该质量体相对于加速度计外壳的位移。因此,任何能够在强振动或线性加速度之下测量微小运动的合适的位移换能器,都能用于加速度计。

        电容式位移转换是经过了实践检验且可靠的方法之一。电容式加速度传感器基本都包含至少两个部分,首先是“固定”极板(即连接至外壳),另一个是附着在惯性质量上的极板,能够在外壳内自由移动。这些极板形成电容,其值是极板之间距离d的函数:

C=k * \varepsilon _{0}*A/d

其中k是介电常数。\varepsilon _{0}为真空的介电常数,A是两导体的相对面积,可以说此电容器的值由加速度调制。用电容式加速度计测量的最大位移很少超过20μm。因而如此小的位移需要对漂移和各种干扰进行可靠补偿。通常用差动技术实现,其中以相同结构形成一个额外的电容器。第二个电容器的值必须接近第一个的值,同时要实现180°的相移改变。于是加速度就可由两个电容器值的差来表示。

图1a表示电容式加速度计的截面图,其中惯性质量夹在上盖和基座之间。质量体由四个硅弹簧支撑(图1b)。上盖板和基座板与质量体分隔的距离分别为d1和d2。所有三个部件在硅片上用微机械加工制备。图2是电容至电压转换器的简化电路图,该图在很多方面类似于图3的电路。

图1:a 带有差分电容的电容式加速度计的侧面截面图,   b 由四个硅弹簧支撑的惯性质量顶视图

图2: 适合于在硅片上集成的电容至电压转换器电路图 

图3: 差动式电容至电压转换器的简化原理图和时序图

质量体和上盖电极之间的平行平板电容C_{mc}具有极板面积S1。质量体向上极板移动时,极板间距d1以数量∆减小。第二个电容C_{mb}具有质量体和基座之间的不同的极板面积S2。质量体向上极板移动而远离基座时,间距d2以∆增加。∆的值等于作用于质量体的机械力F_{m}除以硅弹簧的弹簧常数k:

\Delta =F_{m}/k

严格地说,加速度计的等效电路只在静电力不影响质量体的位置时成立,也就是说处于电容与F_{m}线性相关的情况。加速度计作为开关电容式加法放大器的输入电容时,输出电压取决于该电容的值,因而与作用力有关

V_{out} = 2*E*(C_{mc}-C_{mb})/C_{f}

在传感器的电容发生小的变化时上式成立。加速度计的输出也是温度和电容失配的函数。建议在整个温度范围内做校准,并在信号处理过程中进行适当修正。另一个确保高稳定性的有效方法,是设计自校准系统,该系统利用的是对上盖或基座电极施加高电压时,在加速度计组件内产生的静电力。

这篇关于MEMS传感器的原理与构造——MEMS电容式加速度计的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/254822

相关文章

Python中随机休眠技术原理与应用详解

《Python中随机休眠技术原理与应用详解》在编程中,让程序暂停执行特定时间是常见需求,当需要引入不确定性时,随机休眠就成为关键技巧,下面我们就来看看Python中随机休眠技术的具体实现与应用吧... 目录引言一、实现原理与基础方法1.1 核心函数解析1.2 基础实现模板1.3 整数版实现二、典型应用场景2

Java的IO模型、Netty原理解析

《Java的IO模型、Netty原理解析》Java的I/O是以流的方式进行数据输入输出的,Java的类库涉及很多领域的IO内容:标准的输入输出,文件的操作、网络上的数据传输流、字符串流、对象流等,这篇... 目录1.什么是IO2.同步与异步、阻塞与非阻塞3.三种IO模型BIO(blocking I/O)NI

JAVA封装多线程实现的方式及原理

《JAVA封装多线程实现的方式及原理》:本文主要介绍Java中封装多线程的原理和常见方式,通过封装可以简化多线程的使用,提高安全性,并增强代码的可维护性和可扩展性,需要的朋友可以参考下... 目录前言一、封装的目标二、常见的封装方式及原理总结前言在 Java 中,封装多线程的原理主要围绕着将多线程相关的操

kotlin中的模块化结构组件及工作原理

《kotlin中的模块化结构组件及工作原理》本文介绍了Kotlin中模块化结构组件,包括ViewModel、LiveData、Room和Navigation的工作原理和基础使用,本文通过实例代码给大家... 目录ViewModel 工作原理LiveData 工作原理Room 工作原理Navigation 工

Java的volatile和sychronized底层实现原理解析

《Java的volatile和sychronized底层实现原理解析》文章详细介绍了Java中的synchronized和volatile关键字的底层实现原理,包括字节码层面、JVM层面的实现细节,以... 目录1. 概览2. Synchronized2.1 字节码层面2.2 JVM层面2.2.1 ente

MySQL的隐式锁(Implicit Lock)原理实现

《MySQL的隐式锁(ImplicitLock)原理实现》MySQL的InnoDB存储引擎中隐式锁是一种自动管理的锁,用于保证事务在行级别操作时的数据一致性和安全性,本文主要介绍了MySQL的隐式锁... 目录1. 背景:什么是隐式锁?2. 隐式锁的工作原理3. 隐式锁的类型4. 隐式锁的实现与源代码分析4

MySQL中Next-Key Lock底层原理实现

《MySQL中Next-KeyLock底层原理实现》Next-KeyLock是MySQLInnoDB存储引擎中的一种锁机制,结合记录锁和间隙锁,用于高效并发控制并避免幻读,本文主要介绍了MySQL中... 目录一、Next-Key Lock 的定义与作用二、底层原理三、源代码解析四、总结Next-Key L

Spring Cloud Hystrix原理与注意事项小结

《SpringCloudHystrix原理与注意事项小结》本文介绍了Hystrix的基本概念、工作原理以及其在实际开发中的应用方式,通过对Hystrix的深入学习,开发者可以在分布式系统中实现精细... 目录一、Spring Cloud Hystrix概述和设计目标(一)Spring Cloud Hystr

MySQL中的MVCC底层原理解读

《MySQL中的MVCC底层原理解读》本文详细介绍了MySQL中的多版本并发控制(MVCC)机制,包括版本链、ReadView以及在不同事务隔离级别下MVCC的工作原理,通过一个具体的示例演示了在可重... 目录简介ReadView版本链演示过程总结简介MVCC(Multi-Version Concurr

Redis主从/哨兵机制原理分析

《Redis主从/哨兵机制原理分析》本文介绍了Redis的主从复制和哨兵机制,主从复制实现了数据的热备份和负载均衡,而哨兵机制可以监控Redis集群,实现自动故障转移,哨兵机制通过监控、下线、选举和故... 目录一、主从复制1.1 什么是主从复制1.2 主从复制的作用1.3 主从复制原理1.3.1 全量复制