Интегральный акселерометр емкостного типа (МЭМС-акселерометр)

Примеры интегральных датчиков движения (МЭМС-датчики)

План лекции:

1. Интегральный акселерометр емкостного типа.

2. Пьезоэлектрический акселерометр.

3. Гироскопы.

В последние несколько лет широкое распространение получили датчики, основанные на микроэлектромеханических системах, так называемых МЭМС. Популярность этих устройств обусловлена рядом причин, основными из которых являются простота их использования, относительно низкая цена и малые габариты. МЭМС-датчики, как правило, оснащаются интегрированной электроникой обработки сигнала и не имеют движущихся частей. Этим обуславливается их высокая надежность и способность обеспечивать стабильные показания в достаточно жестких условиях окружающей среды (перепады температур, удары, влажность, вибрация, электромагнитные и высокочастот-ные помехи). Совокупность названных достоинств побуждает производителей систем для различных сфер применения (от авиа - и автомобилестроения до бытовой техники) использовать в своих разработках те или иные МЭМС-сенсоры.
Коротко познакомимся с принципом построения МЭМС-датчиков для измерения ускорения (МЭМС-акселерометр) и угловой скорости (МЭМС-гироскоп).

Интегральный акселерометр емкостного типа (МЭМС-акселерометр)

Как уже показано, акселерометр обычно содержит элемент (гравитационную массу), чье движение отстает от перемещения корпуса, а корпус, в свою очередь, жестко связан с изучаемым объектом. В результате можно применить датчик перемещения, который на завершающей стадии преобразования позволит получить электрический сигнал, представляющий ускорение объекта. Т.е. конечной целью преобразователя, независимо от выбранного метода преобразования и практической конструкции, является обнаружение смещения массы относительно корпуса прибора. Значит любой подходящий преобразова-тель перемещения, способный реагировать на микродвижения сейсмической массы во время вибрации или испытываемого линейного ускорения, может быть задействован в конструкции акселерометра. Емкостной преобразователь перемещения является одним из надежных и испытанных средств.

Датчик ускорения емкостного типа (Рис. 8.1) включает в себя две обкладки конденсато-ра: первая – стационарная пластина, закрепленная на корпусе прибора; вторая – пластина, совмещенная с инерционной массой, которая свободна в своем движении внутри корпуса.

Рис. 8.1. ЧЭ акселерометра с дифференциальным конденсатором: слева - разрез, вид сбоку;

справа - вид сверху на сейсмическую массу с четырьмя пружинящими подвесами, сформиро-ванными в кристалле кремния

Конденсатор имеет емкость

C = κε 0 S/d, (8.1)

которая модулируется измеряемым ускорением, когда меняется промежуток d.

Максимальное перемещение, которое может быть зафиксировано таким преобразова-телем, редко превышает 20 мкм. Поэтому в конструкции следует тщательно продумывать меры защиты от различных возмущений (дрейфа структуры, например). Известной и эффективной иммунной мерой является использование техники дифференциального преобразования, предусматривающей включение в схему преобразователя еще одного конденсатора. На рисунке оба конденсатора расположены по вертикали и разделены подвижной инерционной массой …

Величина емкости второго конденсатора близка к емкости первого, но второй конденсатор изменяет свою емкость в сторону, противоположную первому. Таким образом, ускорение представлено разностью значений емкости обоих конденсаторов.

На диаграмме разреза емкостного акселерометра видна инерционная масса, расположенная в промежутке между верхней обкладкой-крышкой и основанием. Масса подпружинена четырьмя силиконовыми опорами (правый рисунок). Верхняя пластина-обкладка и нижняя обкладка, совмещенная с основанием, находятся на расстояниях d 1 и d 2 от сейсмической массы, соответственно. Все три части формируются во время техно-логического цикла изготовления микросхемы из пластины кремния.

Плоский конденсатор емкостью C mc образован промежутком между гравитационной массой и верхней крышкой. Расстояние между верхней обкладкой и массой уменьшается на величину ∆, когда масса движется от базы в сторону верхней пластины. Второй конденсатор C mb, у которого несколько отличная площадь, проявляет себя между массой и основанием. Когда масса перемещается вверх, расстояние d 2 увеличивается на ∆. Величина перемещения ∆ пропорциональна механической силе Fm, воздействующей на массу, и обратно пропорциональна жесткости силиконовых пружин:

∆ = Fm/k. (8.2)

Электронная схема преобразования “емкость-напряжение”, встроенная в микрочип, позволяет выделить полезный сигнал

V out =2 E(C mc – C mb)/ Cf. (8.3)

где Е – напряжение питания датчика; Cf – емкость вспомогательного конденсатора (в цепи ООС операционного усилителя схемы преобразователя). Как видим, выходной сигнал пропорционален разности емкостей, т.е. V out = К1∆= К2 Fm= К2а.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: