微机电系统加速度计

时间:2023-03-11作者:佚名

  1.概述

  近几十年来,微电子技术发展非常快,集成度几乎每年翻一番。微电子技术和测试技术的进步,促进了微机电系统(Micro Electro—Mechanical Systems,简称MEMS)技术的兴起和发展,各类微型传感器、微型执行器如雨后春笋,发展势头非常迅猛。在这些新型的微机电传感器中,微机电系统加速度计以其体积小、重量轻、成本低、可靠性好、功耗低和测量范围广等一系列独特优点而受到高度重视,并大有取代传统加速度计的趋势。

  微机电系统加速度计通常是指利用微电子加工手段加工制作并和微电子测量线路集成在一起的加速度计,这种加速度计常用硅材料制作,故又名硅微型加速度计。

  硅微型加速度计的型式多种多样。按检测质量支承方式分有悬臂梁支承、简支梁支承、方波梁支承、折叠梁支承和挠性轴支承等;按检测信号拾取方式分,有电容检测、电感检测、隧道电流检测和频率检测等。表1列举了几种目前常见的硅微加速度计的性能及特点。

表1 几种硅微加速度计的性能及特点

微机电系统加速度计

  2.叉指式硅微加速度计

  叉指式硅微型加速度计(Finger-shaped Micromachined Silicon Accelerometer,简称FMSA)最初是由美国AD公司和德国SIEMENS公司联合研制的。目前已形成系列产品,包括5 g、50 g单自由度和双自由度的产品。

  叉指式硅微型加速度计的结构如图1所示。加速度计由中央叉指状活动极板与若干对固定极板组成。硅制活动极板通过一对支承梁弹簧与基座相连,支承梁能使活动极板(检测质量)敏感加速度而产生位移。活动极板上有若干对叉指,每个叉指对应一对固定极板,固定极板固定在基座上。当加速度计处于静止状态时,叉指正好处于一对固定极板的中央,即叉指和与其对应的两个固定极板的间距相等(为y0),这时电容量C1=C2。当加速度计敏感加速度时,在惯性力作用下,活动极板产生位移,如图1(b)所示,这时,叉指和左右两固定极板的间距发生变化,即C1≠C2,产生的瞬时输出信号将正比于加速度的大小。运动方向则通过输出信号的相位反映出来。

  设活动极板的线位移使某叉指两对极板的间隙分别变为Y0 △y和Y0-△y,此时单个电容量分别为微机电系统加速度计略去高阶小量,其电容差值为

微机电系统加速度计     (1)

  式中,A1为活动极板叉指与固定极板重叠部分的面积。

  设加速度计有n组叉指,则总的电容差值为△C=n·△C1=nks1△y=ks△y。

  系统的静态灵敏度为

微机电系统加速度计(2)

  式中,k为支承系统的弹簧刚度,m为活动极板质量;kv为控制回路增益;kF,为反馈力矩系数,微机电系统加速度计.

微机电系统加速度计

(a)静止状态        (b)活动状态

图1 叉指式硅微加速度计

  叉指式硅微加速度计的控制系统框图如图2所示。

微机电系统加速度计

图2 FMSA控制系统框图

  系统的固有频率可由下式近似求得:

微机电系统加速度计(3)

  式中,k为系统支承总刚度,ms为支承弹簧的总质量。

  ADXL50是AD公司开发的一个加速度计产品,主要用于汽车上的安全气囊。ADXL50是集成在一片单晶硅片上的完整的加速度测量系统。整个芯片约3 mm×3 mm,其中,加速度敏感元件部分边长为1 mm,信号处理电路则布于四周。加速度敏感元件是一个可变差动电容器,2μm厚的活动极板上伸出50个叉指,形成了电容器的活动极板。固定电容极板则由一系列悬臂梁组成,这些悬臂梁与基座问有lμm的间隙,悬壁梁的一端固连于基座上。整个活动极板通过支承梁固定,支承梁能保证活动极板沿敏感加速度的方向作线振动,而其他方向的运动都受到约束。支承梁同时作为一个弹簧,能将输入的加速度信号转换为位移信号,同时提供恢复力,使活动极板恢复到零点位置。支承梁可以是直梁或折叠梁。

微机电系统加速度计

图3 ADXL50测试线路

  ADXL50的测试回路是一个闭环的力平衡反馈回路。其测量原理如图3所示。频率为1 MHz,相位相差1800的两个方波信号UA和UC分别施于固定电容极板Y和Z上,这样,当在静止状态时,活动极板的输出信号UB将为零。为使活动极板输出在±50g范围内都为正,需在固定电容极板Y和Z上分别施加偏置信号,分别为 3.4 V和 0.2 V。这样,在静止时,动极板输出信号应为 1.8 V0UB信号进入相敏解调器解调前需经过缓冲器放大,使可变电容器的高阻抗信号变为低阻抗信号。经过解调和低通滤波的信号再经前置放大器输出。将前置放大器输出信号u0反馈给活动极板,该反馈电压将在活动极板和固定电极之间产生静电力,该静电力和由加速度引起的惯性力方向相反,并力图使活动极板恢复到中间位置,从而使UB信号减弱为零。由于是一个高增益的伺服回路,深度负反馈将使活动极板偏离其中心位置的最大距离不超过0.01μm,此时,支承梁的弹性常数以及开环时的其他误差源均可忽略不计。加负反馈后,在没有加速度信号时,u0=1.8 v,在满量程(±50g)时,△u=±1.0 V。

相关阅读

贴片电容在LED驱动电路中的注意事项

贴片电容全称为多层片式陶瓷电容器(MLCC),英文缩写为MLCC。在受到温度冲击时,MLCC可能会从焊端开始产生裂纹。这种现象在小尺寸电容相对于大尺寸电容时更为明显,原因在于大尺...
2023-08-09
贴片电容在LED驱动电路中的注意事项

分享4种485隔离电路方案

今天来给大家分享一下4种485隔离电路方案。 NSi83085和NIRS485为纳芯微数字隔离技术的高可靠性半双工隔离485转换器,NSi83086为全双工隔离485转换器。隔离485具有失效安全防护功能,保证当...
2023-06-05
分享4种485隔离电路方案

维修电工年终工作总结范文

我工作以来,一直从事一线电工 工作,多年来,我严格要求自己,兢兢业业。主要从以下几个方面来总结: 一、思想政治学习及民主管理方面我认真学习马克思列宁主义,毛泽东思想...
2023-03-21

这个水电施工正确吗?亲戚担心水电同槽,漏水触电怎么办

头条里的大神,出来指教下,亲戚担心死了。。。精装房,各种不放心 ✎社友有话说 @老了回忆回忆过去 :心真大,这是那个按的,人才 @相見不筎怀念喵星人 :电你没商量 @幸福会发...
2023-06-11
这个水电施工正确吗?亲戚担心水电同槽,漏水触电怎么办

10kV高压电缆外皮破损如何处理?本文分四种情况提供全流程规范处理方案

10kV高压交联聚乙烯电缆是配电网电能传输的核心脉络,广泛应用于城市电网、工矿企业、商业综合体的供电系统中。受外力施工破坏、敷设拖拽刮蹭、运行振动磨损、自然老化腐蚀、...
2026-06-08
10kV高压电缆外皮破损如何处理?本文分四种情况提供全流程规范处理方案

热销商品

12V星空顶筒灯嵌入式阳台卧室客厅氛围迷你呼吸小射灯满天星天花

12V星空顶筒灯是一款专为营造浪漫氛围而设计的迷你嵌入式射灯,适用于阳台、卧室、客厅等空间。采用低功耗LED光源,安全节能,光线柔和均匀,支持呼吸模式与满天星效果,可...
¥ 7.65

公牛官方旗舰店开关插座空调16A插座五孔10A面板暗装多孔G12白灰

公牛官方旗舰店提供一系列高质量的开关插座和空调配件。这款16A插座五孔面板采用暗装设计,适用于多种安装环境,如墙面、天花板等。它具有10A的电流容量,可以满足家庭...
¥ 5.55

电位器旋钮电流调节螺帽直流逆变电焊机二保焊送丝机通用旋钮B102

电位器旋钮电流调节螺帽适用于直流逆变电焊机和二保焊送丝机,是一款通用的旋钮B102。该旋钮采用优质材料制造,具有耐磨损、耐高温、耐腐蚀等特点,能够长时间稳定运行...
¥ 0.7

喜美诺排插插座面板多孔排插家用宿舍接线板插排国标线板延长线

喜美诺排插,一款精心设计的多孔插座面板,专为家庭和宿舍环境而造。它不仅提供便捷的接线体验,更符合国标安全标准,确保使用过程中的安全与稳定。这款排插采用高质量材...
¥ 11.9

O型圈氟橡胶圆条丁腈胶硅胶垫片防水O三元乙丙EPDM密封件骨架油封

O型圈、氟橡胶圆条、丁腈胶、硅胶垫片、三元乙丙(EPDM)密封件及骨架油封是广泛应用于机械、汽车、航空航天及建筑等领域的关键密封元件。氟橡胶耐高温、耐腐蚀,适用...
¥ 1

网站栏目