硅基差分電容式加速度傳感器的研究與設計.pdf

1、傳感器是MEMS技術的一個重要分支，其中的加速度傳感器在航空、航天和汽車等很多領域有著廣泛的應用，主要有壓阻式、電容式和壓電式三種。由于電容式加速度傳感器具有靈敏度高、噪聲性能良好、功耗低和結構簡單的優(yōu)點，成為研究的熱點。針對梳齒式電容加速度傳感器，本文在敏感元件的結構設計和系統(tǒng)建模與仿真等方面進行了深入的研究。
　　首先，對敏感元件的位移響應進行了MATLAB模擬。通過敏感元件的位移響應得出：待測加速度的頻率應遠離敏感元件的固有

2、頻率以獲得較高的靈敏度；阻尼因子的大小影響位移輸出。
　　其次，建立電容式加速度傳感器開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的SIMULINK模型，研究不同讀出方式下的傳感器系統(tǒng)特性。閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析對阻尼因子和低頻環(huán)路增益的大小提出了要求。系統(tǒng)仿真表明，電壓輸出信號與外界加速度成正比，閉環(huán)系統(tǒng)的等效加速度信號遠遠小于開環(huán)系統(tǒng)。
　　然后，研究選擇差分電容的理論依據(jù)。通過詳細的理論推導得到，差分電容的線性度和靈敏度均優(yōu)于單電容。選定典型的差

3、分電容結構——梳齒式結構為敏感元件的結構，并結合國內(nèi)的工藝水平確定結構尺寸。
　　最后，利用ANSYS有限元軟件對梳齒式電容加速度傳感器進行了靜力分析、模態(tài)分析和諧響應分析，研究敏感元件的結構尺寸對線性度、抗沖擊性、響應頻率和機械靈敏度等性能的影響規(guī)律，為結構的優(yōu)化設計提供理論參考。
　　依據(jù)本文給出的梳齒式結構和設計參數(shù)，設計出的加速度傳感器能夠抵抗5000g的加速度沖擊，最大量程大于±70g，頻率響應范圍為0~2000H