微电容式加速度传感器及其应用

微电容式加速度传感器论文

专 业：电气工程及其自动化 班 级：0 7 1 班 姓 名： 学 号： 指导老师：

微电容式加速度传感器及其应用

班级：07电气1班 学号：20079450102 姓名：王惠

引言

随着微机械系统和微加工技术的发展，微型传感器也随之迅速发展。微传

感器因其尺寸微小，测量准确度和灵敏度高而广泛应用于工程、医学、生物等各个领域。微电容式传感器因其结构简单，是微传感器技术领域中发展最快的一种传感器。加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。近年来电容式加速度传感器,得到了较大的发展，本文重点阐述了基于MEMS技术的微电容式加速度传感器和集成微电容式无线加速度传感器的设计，原理及其构成元件，分析了其频率特性和灵敏度，探究了其误差形成因素，概述了其在工程控制领域中的实际应用。

关键词：MEMS 微电容 微机电系统 无线加速度传感器 振动测试 一、 基于MEMS技术的微电容式加速度传感器

1、传感器模型及原理

电容式加速度传感器的结构示意如图1所示。

微电容式加速度传感器的工作原理是：当传感器的质量块受到加速度作用的时候，会产生惯性力，这个惯性力会使梁发生变形。把梁作为电容器的一个电极，当梁发生形变时，电容器两极板之间的距离将会发生变化。 根据平板电容关系式为 ： c=?Ad

式中? ，A，d分别是电极间的介电常数、有效面积和极板间距。所以压力载荷引起的极板间距d的变化必然会使电容C发生相应的变化。只要通过测得电容的变化量，就能求出加速度的大小。

把传感器的质量块的尺寸作为变量，相应地4根梁的尺寸随着变化，假设梁的质量忽略不计，而质量块的质量平均分布到4根梁上。对于这种简单载荷， 以根据悬臂梁模型的曲线方程求出梁的挠度?f?Fl23EI，将其等效为质量块的最

大形变，从而可以估算出电容极板间距的要求。 弹性曲线方程： y??Fx26EIFl2?3l?x? 挠度： f?3EI

式中 力F为传感器质量块的1／4，即F=mg/4；E为梁的弹性模量；L为梁的长度；I为梁的惯距。由此可以算出梁的最大变形量，即约等于等效梁模型的挠度。这里近似地认为梁的最大变形量也就是电容极板间距的最大变化量，由此可以推断出所能测量的最大加速度。反之，根据所需要的加速度的测量要求，可以相应地调整质量块的尺寸来满足设计要求。

2、有限元模型分析与实测参数

有限元分析(FEA )法是目前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛的

数值模拟方法。它的基本思想是将问题的求解域分为一系列单元，单元之间仅靠节点连接。单元内部点的待求物理量可由单元节点物理量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各个单元方程组合在一起而形成总体代数方程组求解。ANSYS是一种基于有限元分析法的大型软件，其基本步骤与常规的FEA法一致。本文就是利用ANSYS来对结构进行分析的。首先进行静态分析，所选择的加速度的测量范围从2mg 到20 g ，根据模拟结果，得到电容与加速度之间的关系，如图2 曲线所示。

同时采用ANSYS软件来进行模态分析。表1列出各种振型(从模态振型1到模态振型20)的模态频率。

在以上的振型中，取几个具有典型意义的振型，来分析它们的变形情况。

在求得该传感器的各阶模态参数后，有助于对其动态特性进行评价和修改，并验证了该种传感器的有效性[引。图3为两个振型图。

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3、工艺流程设计

所提出的这种微电容式加速度传感器是基于MEMS技术的，所以它应该符合MEMS的标准工艺。MEMS工艺是建立在IC工艺基础上的，主要包括：清洗、氧化、光刻、腐蚀、溅射、扩散、键合、引线与封装等。根据要加工的器件，本文设计了这种MEMS微变电容的整个制造工艺流程：(1)和(2)选取P型<100>单晶硅片生长二氧化硅掩模。硅晶片主要是为了制作重掺杂的硼硅膜，用做电容的一个电极。先在硅片的两面氧化出5～6／an的氧化层，光刻相应的沟

槽形状，然后用TMAH(四甲基氢氧化氨水)溶液腐蚀得到2姗的沟槽(真空腔)的形