微机电系统技术基础课件8.ppt

微机械传感器 3. 压力—频率特性 谐振梁的压力—频率特性是基于2端固支的梁在轴向拉力σ作用下的微幅振动方程求解得到的。 微机械传感器 4. 传感器开环特性测试 1）概述 硅梁的固有频率、相位、幅值及Q值均应由开环特性测试来确定，以便于传感器的闭环设计。 2）检测过程 在激励电阻上加载交变电压Vaccoswt和直流偏压Vdc，则电阻上产生的激励功率为： 微机械传感器 2）检测过程 续 常值热分量会使硅梁产生恒定的温度差分布场，并导致硅梁的固有频率发生漂移； 交变动热分量会使硅梁产生一个交变的温度应力，当其频率与硅梁的固有频率相同时，硅梁会发生谐振，实现热-机变换，硅梁周期性形变，由检测电阻桥路检出，又实现了机-电变换。 微机械传感器 5. 传感器闭环自激系统设计 1. 实现自激振荡的工作原理： 1）正弦振荡原理 2）锁相-压控振荡器原理 考虑到微传感器信号微弱的特点，选用锁相-压控振荡器原理设计。 微机械传感器 2. 自激振荡的锁相-分频技术 1）闭环自激振荡图 微机械传感器 锁相环技术（补充） 锁相环是基于相干检测原理设计而成的 它由鉴相器（PD)、环路低通滤波器（LPF)及电压控制振荡器（VCO)组成 微机械传感器 2）闭环自激振荡图说明 自激振荡图采用了锁相分频技术，即在设计的基本锁相环的反馈支路中接入一个倍频器，实现分频。 在相位比较器中进行比较的2个信号频率是2ωi和Nω0（N=2)，这样压控振荡器输出的频率ω0就等于谐振梁的固有频率ωi，该固有频率受被测压力调制。 微机械传感器 6. 硅谐振式压力微传感器的性能优势 1）直接输出频率量，无需A/D转换 2）为闭环工作，其性能主要取决于谐振子的机械性质，受电路参数变化影响很小。 3）测量精度、稳定性及测量分辨率均优于硅压阻和硅电容式压力传感器1个数量级。 微机械传感器 微机械传感器 5.3 硅谐振式加速度微传感器 5.3.1 概述 硅压阻效应、压电效应及电容效应的硅加速度微传感器，对于微米和亚微米级的加速度检测，很难达到足够高的分辨率和灵敏度。目前，主要利用硅谐振梁式加速度传感器才能达到要求。 硅加速度传感器在导航、微重力、声及地震测量等领域应用广泛。 微机械传感器 5.3.2电阻热激励、电阻检测硅谐振式加速度微传感器 质量—弹簧系统的硅谐振梁式加速度传感器的工作原理： 被测加速度转换为载荷，作用于悬挂在硅谐振梁上的敏感质量，导致硅梁产生拉伸或压缩应变，使硅梁的谐振频率发生变化。谐振频率的变化量与被测加速度成比例，由此便得知被测加速度。 5.3.2.1 传感器微结构 1.下图为一种硅悬臂梁式加速度微传感器 微机械传感器 2. 上图说明 塔型敏感质量m悬挂在与其中心轴线平行且对称的2根支撑梁的一端，2根支撑梁的另一端固定在框架上。在两根支撑梁中间再平行制作一根用于信号检测的谐振梁，一端与敏感质量相连，另一端固连在框架上。他们一起组成加速度微传感器。 微机械传感器 3.支撑梁和谐振梁的尺寸设计原则 支撑梁比谐振梁短而厚，其长度比和厚度比视悬挂系统要求的谐振频率和灵敏度而定。 支撑梁的尺寸设计，从悬挂系统的刚度和支撑梁的强度考虑；而谐振梁的尺寸，则主要根据在不受加速度作用时，期望获得的基本谐振频率和要求的灵敏度来确定。 为了使谐振梁的谐振频率不受悬挂系统干扰，一般把谐振梁的工作谐振频率设计的比悬挂系统的谐振频率高出几十倍。 微机械传感器 4.谐振梁结构 为了有利于谐振梁品质因数Q的提高，常把谐振梁设计成并行3梁形式，中间梁宽度等于左右相邻2梁的宽度之和。 硅梁的谐振模态选用他们反对称相位的3阶模态。在此模态下，中间梁和两边梁在固定端产生的反力和反力矩因方向相反而相互抵消，使振动能量储存在硅梁内部而不向外泄漏，从而减少能量损耗，这样能提高谐振梁结构的品质因数。 微机械传感器 5. 为了检测的结构设计及测量原理 激励硅梁谐振的电阻和敏感硅梁谐振的检测电阻分别制作在中间硅梁的端部。因为谐振时端部应力分布最大。 当沿Z轴方向的加速度作用于敏感质量m上时，敏感质量将沿z轴方向移动，并使支撑梁弯曲，因为谐振梁和支撑梁的厚度不同，导致谐振梁产生拉伸或压缩应变。该应变将改变谐振梁自身的谐振频率，其改变量与被测加速度值成函数关系。 微机械传感器 6. 优化设计 为减小悬臂梁结构对侧向加速度的灵敏度，支撑梁的宽度远比其厚度大得多，但为了更好的避免对侧向加速度敏感，在对称敏感质量的中心轴设置2根支撑梁。 微机械传感器 5.3.2.2 开环特性测试和闭环回路设计 1.开环特性测试 对于硅谐振梁的开环特性测试，包括幅频、相频以及机械品质因数等 测试设备 1）谐振式微传感器频率特性测试仪 2）光学分析系统（如Polytec公司的激光测振仪） 3）电