现代传感器技术基础与应用.ppt

(5)谐振式敏感原理当加速度计连接的外壳的振动频率接近器件的固有频率时，共振就会发生；也就是β＝ω/ωn→1.0。检测质量在这个频率下振幅达到峰值。对微加速度计而言，器件在这一频率提供了最灵敏的输出。这种振动测量器件在共振频率处的峰值灵敏度的优势已经在微传感器设计中被利用。第29页,共59页，星期六，2024年，5月Howe[1987]发展了一个分析承受纵向力的振动梁在模态1时的固有频率的理论第30页,共59页，星期六，2024年，5月y(x,t)满足其中是梁单位长度的质量第31页,共59页，星期六，2024年，5月第32页,共59页，星期六，2024年，5月(6)热对流式敏感原理向加热元件施加一定的热功率，加热元件周围形成温度场，流体流动使温度场发生变化，分别位于上下游的检测元件之间就会产生温差。被测流体的质流量与加热件上下游端的温度差?T之间的关系为：P:加热功率，J：热功当量cp：被测流体的定压比热第33页,共59页，星期六，2024年，5月传感器类型测量范围精度频响线性度信号处理电路结构工艺技术成熟性压阻式大中高较好简单电桥电路简单好电容式小高中较好高灵敏度的开关电容或电桥电路复杂差谐振式小高中较好宽频带闭环谐振回路复杂差压电式大低高较好电荷放大器简单好隧道式小高高较差高灵敏度电流检测电路复杂差热对流式大中低一般热敏电阻电桥简单差各种敏感原理特点比较第34页,共59页，星期六，2024年，5月各种敏感原理的优缺点优点缺点静电敏感材料简单需要较大的器件尺寸以得到足够大的电容较低的工作电流与工作电压信号读出电路复杂响应速度快对微粒与湿度敏感热敏感材料简单相对较大的功耗省去了可动部件相对静电敏感响应速度较慢压阻敏感高灵敏度需要硅掺杂工艺以获取高性能的压敏电阻材料简单（金属应变计）对环境温度变化敏感压电敏感电信号自产生能力，无需外加电源材料生长和制造工艺流程复杂，不能在高温条件下工作第35页,共59页，星期六，2024年，5月微传感器的实例(1)——力学微加速度传感器微陀螺仪微压力传感器微麦克风第36页,共59页，星期六，2024年，5月微加速度传感器主要用于测量物体运动过程中的加速度：过载、振动和冲击压阻式、电容式、压电式、隧道电流式微加速度计。第37页,共59页，星期六，2024年，5月压阻式挠度应力一阶固有频率阻尼比第38页,共59页，星期六，2024年，5月压敏电阻空隙玻璃盖板质量块导电胶引线微加速度计的剖面结构示意图第39页,共59页，星期六，2024年，5月单悬臂梁微加速度计双悬臂梁微加速度计压阻式微加速度计样品SEM照片第40页,共59页，星期六，2024年，5月电容式悬浮支架加速度固定支架导电电极衬底质量块)垂直敏感电容微加速度计结构固定支点加速度悬浮支架质量块感应叉指b)水平敏感电容微加速度计结构电容式加速度计的不同敏感电容第41页,共59页，星期六，2024年，5月1)平行板电容式微加速度计“三明治”结构电容式微加速度计结构硅玻璃玻璃硅硅平行板结构电容式微加速度计虽然具有较高的灵敏度，但是其制作需要腐蚀、组装、键合等多种工艺，过程复杂，无法与硅平面工艺兼容，难以实现批量化、低成本生产。第42页,共59页，星期六，2024年，5月2)梳状电容式微加速度计挠性梁定齿基底位移定齿立柱敏感质量C1C2第43页,共59页，星期六，2024年，5月梳状结构的电容式微加速度计一般采用叉指结构，属于硅材料线加速度计，其结构加工工艺与集成电路加工工艺兼容性好，可以将敏感元件和信号调理电路用相同的工艺在同一硅片上完成，实现整体集成。第44页,共59页，星期六，2024年，5月隧道电流式隧道式微加速度计，通常有悬臂梁式、多梁支撑式和扭摆轴式等几种结构悬臂梁隧道针尖悬臂梁式隧道效应微加速度计第45页,共59页，星期六，2024年，5月检测质量电极扭转铰链检测质量可变电极挤压膜阻尼孔氮化层悬臂梁隧道针尖Stanford大学的双悬臂梁式隧道效应加速度计第46页,共59页，星期六，2024年，5月压电式微加速度计压电式微加速度计具有测量范围宽、启动快、功耗低、直流供电、抗冲击振动、可靠性高等显著优点，在惯性导航系统中有着广泛的应用。敏感轴方向压电