型高灵敏度横向电容式硅微加速度计

性电路消除热电势与温度的⾮线性误差，最后放⼤转换为4～20mA电流输出信号。

为防⽌热电偶测量中由于电偶断丝⽽使控温失效造成事故，传感器中还设有断电保护电路。

当热电偶断丝或接解不良时，传感器会输出最⼤值（28mA）以使仪表切断电源。

⼀体化温度传感器具有结构简单、节省引线、输出信号⼤、抗⼲扰能⼒强、线性好、显⽰仪表简单、固体模块抗震防潮、有反接保护和限流保护、⼯作可靠等优点。

⼀体化温度传感器的输出为统⼀的 4～20mA信号；可与微机系统或其它常规仪表匹配使⽤。

也可⽤户要求做成防爆型或防⽕型测量仪表。

液位1、浮球式液位传感器浮球式液位传感器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电⼦单元、接线盒及安装件组成。

⼀般磁性浮球的⽐重⼩于0.5，可漂于液⾯之上并沿测量导管上下移动。

导管内装有测量元件，它可以在外磁作⽤下将被测液位信号转换成正⽐于液位变化的电阻信号，并将电⼦单元转换成4～20mA或其它标准信号输出。

该传感器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最⼤电流不超过28mA，因⽽能够可靠地保护电源并使⼆次仪表不被损坏。

2、浮简式液位传感器浮筒式液位传感器是将磁性浮球改为浮筒，它是根据阿基⽶德浮⼒原理设计的。

浮筒式液位传感器是利⽤微⼩的⾦属膜应变传感技术来测量液体的液位、界位或密度的。

它在⼯作时可以通过现场按键来进⾏常规的设定操作。

3、静压或液位传感器该传感器利⽤液体静压⼒的测量原理⼯作。

它⼀般选⽤硅压⼒测压传感器将测量到的压⼒转换成电信号，再经放⼤电路放⼤和补偿电路补偿，最后以4～20mA或0～10mA电流⽅式输出。

真空度真空度传感器，采⽤先进的硅微机械加⼯技术⽣产，以集成硅压阻⼒敏元件作为传感器的核⼼元件制成的绝对压⼒变送器，由于采⽤硅-硅直接键合或硅-派勒克斯玻璃静电键合形成的真空参考压⼒腔，及⼀系列⽆应⼒封装技术及精密温度补偿技术，因⽽具有稳定性优良、精度⾼的突出优点，适⽤于各种情况下绝对压⼒的测量与控制。

第一章引言图１．１静电力驱动式微型夹钳“”２．电磁力驱动微型夹钳电磁力驱动微型夹钳的驱动器一般包括线圈和电磁铁等，线圈所产生的电磁场驱动电磁铁运动，推动夹钳的卡爪完成夹持动作。

这类微型夹钳的卡爪能获得较大范围的开合量，夹持动作响应快，无磨损，控制简单，但是电磁线圈的结构难于用ｌｃ工艺兼容（难于用ＩＣ工艺加工），而且体积大，无法做的很小，还不能称为微夹钳。

３．压电式微夹钳图１－２为压电式微夹钳，驱动源是压电变换器。

通过施加电压，压电变换器产生长度变化，使钳口张合。

此微夹钳具有可控输出，无摩擦，易制作等优点，但是以压电元件驱动的微夹钳受压电元件尺寸的限制，难以做得很小。

压电元件的逆压电效应产生的变形量很小，通常为几～十几微米，不能满足微尺度操作的要求。

一般采用机械增幅机构，利用杠杆原理，来放大位移。

经过二、三级的放大，可以将压电元件的变形量放大到几百微米。

机械增幅机构中多采用柔性铰链，柔性铰链适合于实现小范围偏转的支承，可以作为杠杆支点和构件间的铰接点，体积容易做得很小，无机械摩擦、无间隙。

图１．２压电式微夹钳…１８第一章引言４．形状记忆合金微夹钳上文中提到机械增幅机构，机械增幅机构中多采用柔性铰链，柔性铰链适合于实现小范围偏转的支承，可以作为杠杆支点和构件间的铰接点，体积容易做得很小，无机械摩擦、无间隙。

柔性铰链绕轴作复杂运动的有限弹性角位移时，储存了一定的弹性势能，当机械增幅机械去掉驱动力之后，机构可以靠柔性铰链的弹性能恢复处理和记忆训练后，它对原有的形状具有记忆能力。

利用这种记忆效应来夹持、释放物体，这就是形状记忆合金夹钳的基本原理。

形状记忆合金是一种功能材料，经过一定的热处理和记忆训练后，对原有的形状具有记忆能力。

利用此记忆效应来夹持，释放物体。

如图１．３所示，通过加热由形状记忆合金组成的驱动单元Ｉ，使其产生变形，引起驱动单元ＩＩ变形，从而使钳爪闭合；反之，温度下降，变形恢复，钳爪张开。

形状记忆合金具有较高机械性能，抗蚀性能好，可恢复应变量大，恢复力大，本身既是驱动材料，又是结构材料，便于实现机构的简化和小型化。

MEMS加速度计MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）加速度计是一种集成了微电子技术、微机械技术和传感器技术的微型加速度计。

MEMS加速度计以微机电系统技术为基础，利用微型机械结构和微电子技术制作而成的一种传感器。

其结构通常包括一个质量并且可以在三个不同方向上移动的臂梁，一些感应电极以及一个基座。

当加速度计受到外部加速度作用时，质量会受力发生偏移，从而导致感应电极的电荷和电场发生变化，通过测量这些变化，就可以得到外部加速度的信息。

MEMS加速度计主要有压电加速度计和电容加速度计两种类型。

压电加速度计是利用压电效应实现加速度测量的，当受到外部加速度作用时，压电材料产生电荷，从而产生电压输出。

电容加速度计是基于电容变化原理设计的，当加速度计产生加速度时，微机械结构中的电容会发生变化，通过测量电容变化就可以得到加速度的信息。

由于压电加速度计和电容加速度计都是微型化设计，制作工艺成熟，因此MEMS加速度计具有尺寸小、功耗低、成本低和可靠性高等特点。

MEMS加速度计广泛应用于许多领域，特别是在移动设备、汽车、航空航天、智能穿戴设备和工业自动化等领域。

在移动设备方面，MEMS加速度计可用于屏幕旋转、晃动控制和跌落检测等功能。

在汽车领域，MEMS加速度计能够实现碰撞检测、车身稳定控制和自动泊车等功能。

在航空航天领域，MEMS加速度计可用于姿态测量和导航系统。

在智能穿戴设备方面，MEMS加速度计可用于步数统计、睡眠监测和运动追踪等功能。

在工业自动化领域，MEMS加速度计可用于振动检测和故障诊断等应用。

然而，MEMS加速度计也存在一些问题。

首先，由于其微小尺寸，对温度、湿度和振动等环境因素的影响较大，可能会导致测量误差。

其次，MEMS加速度计的精度和分辨率相对较低，对微小加速度的测量不够敏感。

此外，MEMS加速度计的线性度和漂移等问题也需要进一步优化和改进。

综上所述，MEMS加速度计作为一种集成了微电子技术、微机械技术和传感器技术的微型加速度计，在各个领域有着重要的应用价值。

MEMS电容式加速度计原理一、工作原理MEMS电容式加速度计是一种基于微机械加工技术制成的传感器，用于测量加速度。

其核心部分是可移动的感应质量块和固定电极，它们之间存在微小的间距。

在工作状态下，当被测物体发生加速度时，感应质量块会受到力的作用，从而产生位移。

这个位移量会改变感应质量块与固定电极之间的距离，从而引起电容值的改变。

通过测量电容值的变化，可以推导出物体的加速度。

二、结构设计MEMS电容式加速度计的典型结构包括一个可移动的感应质量块和两个对称的固定电极。

感应质量块通常采用单晶硅材料制成，形状为长方形或圆形，其两端固定在弹性梁上。

弹性梁的材料一般为氮化硅或石英，它们具有良好的弹性性能和稳定的热性能。

固定电极一般采用金属材料制成，与硅衬底形成电容器。

当加速度作用在感应质量块上时，感应质量块会沿着敏感轴方向产生位移，从而改变电容器的电容值。

三、电容变化当感应质量块发生位移时，它与固定电极之间的距离会发生变化，导致电容值的改变。

这个电容变化量可以通过外部电路检测并转换为电压信号输出。

在MEMS电容式加速度计中，通常采用差分电容检测方式来提高检测灵敏度和减小外界干扰的影响。

差分电容检测方式是将两个对称的电容器串联在一起，通过测量两个电容器的电容差值来推导出加速度值。

四、测量范围MEMS电容式加速度计的测量范围取决于其结构设计、制造工艺和材料选择等因素。

一般来说，MEMS电容式加速度计的测量范围在±2g 至±10g之间。

在实际应用中，可以根据需要选择适合测量范围的加速度计。

此外，为了减小测量误差和提高测量的稳定性，可以对加速度计进行温度补偿和线性补偿等处理。

五、方向测量MEMS电容式加速度计一般只能测量单一方向的加速度值，而要实现方向测量则需要使用多个加速度计。

一般来说，将多个MEMS电容式加速度计按不同的方向布置在同一个被测物体上，每个加速度计负责测量一个方向的加速度值。

通过对这些加速度值进行处理和分析，可以获得物体在三维空间中的运动状态和方向信息。

毕业设计电容式加速度计的电路设计系别：专业：班级：学号：学生姓名：指导教师：职称：年月日电容式加速度计的电路设计摘要20世纪80年代，随着微电子技术、半导体集成电路工艺的日益完善，人们开始把IC 制造技术引用于精密机械制造，出现了微机械、微型传感器、微型执行器等微机械制造技术。

微机械电容式加速度计是人们广为关注、竞相开发的一种微型加速度计。

其中，加速度计的类型有压阻式、压电式和电容式等多种。

其中，电容式加速度计具有测量精度高、温度效应等优点。

随着MEMS(Micro Electro Mechanical Sys-tem)技术的发展，采用静电力驱动、电容变化检测位移的电容式MEMS加速度计因具有结构简单、动态响应快、分辨率高、温漂低等优点，应用越来越广泛。

采用闭环差动结构的电容式加速度计可进一步提高灵敏度，减小非线性误差是目前实现高性能加速度计的一个有效途径。

电容式加速度计为一种重要的惯性器件，在汽车、消费电子、惯性制导等方面有广泛的应用前景。

性能指标的提高一直是微机械加速度计领域的重要研究方向。

其中，检测电路的性能对加速度计整体性能也起着日益重要的决定作用。

本文主要针对电容式加速度计的噪声以及闭环检测电路和自动校零技术等作为主要的分析方向，这对于电容式加速度计的工程化和未来的发展方向具有一定的参考意义。

论文的研究方向：（1）机械加速度计的分类。

有压电式、压阻式、电容式等。

（2）电容式加速度的噪声分析。

（3）电容式加速度计的闭环检测电路分析。

（4）电容式加速度计的自动校零技术分析。

关键词：电容式加速度计；分辨率；惯性器件；噪声；自动校零CAPACITIVE ACCELEROMETER CIRCUIT DESIGNABSTRACTNineteen eighties，with microelectronic technology，semiconductor integrated circuit technology is increasingly perfect，people began to use IC manufacturing technology used in precision machinery manufacturing，appeared a micromechanical，miniature sensors，micro actuators and other micro machinery manufacturing technology. Micro mechanical capacitive accelerometer is widely concerned，competing in the development of a kind of micro accelerometer. Among them，the accelerometer of the type having piezoresistive，piezoelectric transformer and capacitor etc.. Wherein，capacitive accelerometer has high measurement precision，temperature effect and other advantages. With the MEMS ( Micro Electro Mechanical Sys-tem ) technology development，using the static electric power driving，capacitance change detection displacement capacitive accelerometer MEMS because of its simple structure，quick dynamic response，high resolution，low temperature drift，is applied more and more extensively. Using a closed-loop differential capacitive accelerometer can further improve the sensitivity，reduced nonlinear error is present to realize highperformance accelerometer in an effective way. Capacitive accelerometer is a kind of important inertial device，in the automotive，consumer electronics，inertial guidance has extensive application prospects. Performance improvement of MEMS accelerometer has been is an important research direction in the field. Among them，detecting circuit for accelerometer performance overall performance also plays an increasingly important role in the decision.Research direction:(1) the classification of mechanical accelerometer. A piezoelectric type，pressure resistance type，capacitance type.(2) a capacitive acceleration noise analysis.(3) capacitive accelerometer s detection circuit analysis.(4) capacitive accelerometer auto zero calibration technology analysis.Key words: capacitive accelerometer; resolution; inertial device; noise; automatic zero adjustment目录1 绪论 (1)1.1机械加速度计的基本原理 (1)1.1.1加速度计的性能指标 (2)1.2加速度计的分类 (3)1.2.1电容式加速度计 (3)1.2.2压电式加速度计 (4)1.2.3压阻式加速度计 (4)1.2.4隧道式加速度计 (5)1.3应用 (5)2 电容式加速度计的噪声分析 (6)2.1.1基本组成 (6)2.1.2工作原理 (7)2.2电容式微加速度计噪声建模 (7)2.2.1机械热噪声 (7)2.2.2电路噪声 (8)2.2.3噪声计算 (10)2.2.4实验结果分析 (10)2.3结论 (12)3 电容式加速度计的闭环检测电路分析 (12)3.1三明治结构加速度计检测原理 (12)3.2双端反馈闭环检测电路设计 (13)3.2.1高对称激励信号源 (14)3.2.2同步相敏解调的带通作用 (17)3.2.3双端反馈静电力平衡回路 (17)3.2.4实验结果与讨论 (18)3.3结论 (19)4 电容式加速度计的自动校零技术分析 (20)4.1加速度计结构和静电力调零原理 (20)4.2自动调零电路的设计 (21)4.2.1数字电位器MAX4502的工作原理 (21)4.2.2自动校零接口电路及其实现 (22)4.2.3实验结果 (23)4.3结论 (24)5总结与展望 (24)参考文献 (25)致谢 (26)闽南理工学院毕业设计第1章 绪论1.1 机械加速度计的基本原理加速度计的测量原理基于牛顿第二定律:物体受到的合力等于其质量与加速度的乘积。

电容式加速度计材料工艺
电容式加速度计是一种基于电容变化原理来测量加速度的传感器，其核心部件是加速度敏感结构和补偿电路。

在材料方面，加速度敏感结构通常采用硅微加工技术制造。

具体的工艺流程如下：
1. 材料选择：选择具有良好机械特性和电气特性的硅材料。

2. 块晶硅生长：通过热化学气相沉积（HDCVD）等方法，在硅基片上大面积生长块晶硅。

3. 制备硅片：将块晶硅切割成较薄的薄片，用作加速度计敏感结构的底部。

4. 制备衬底：在另一块硅基片上通过相同方法生长块晶硅，用作加速度计敏感结构的顶部衬底。

5. 掺杂处理：通过离子注入或扩散等方法，对敏感结构进行核心加工，例如掺杂以形成PN结。

6. 阻抗匹配层制备：在敏感结构上制备金属或多晶硅层，用作阻抗匹配层。

7. 封装：将敏感结构和补偿电路等封装在一起，通常采用集成电路封装工艺。

以上是电容式加速度计的一般材料工艺流程，具体工艺可能会根据加速度计的设计要求和制造技术的发展而有所差异。

加速度计制造过程中的材料选择和工艺控制对其性能和可靠性至关重要。

微加速度传感器现状及发展简述1 引言MEMS（微机电系统）是在微电子技术、集成电路技术及其加工工艺的基础上发展而来。

其学科交叉特点明显，主要涉及微加工技术、机械学、电子学、设计学、材料学、热流理论等。

MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米。

MEMS是一个新兴的、多学科交叉、多技术融合的高科技领域。

将MEMS技术应用到加速度传感器领域，就产生了微加速度传感器。

微加速度传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高[1]、灵敏度高和集成度高等一系列优点。

如今微加速度传感器正在逐步取代传统加速度传感器，在电子产品、汽车工业、航天航空等军民领域得到广泛应用。

尽管各类微加速度传感器物理效应与结构形式不同，但它们都有着相同的力学基本原理和相似的工作原理。

2 微加速度传感器研究现状2.1 概述微硅加速度传感器是最早受到研究的微机械惯性传感器之一。

早在1970年左右，人们就开始研究微加速度传感器；到了80年代，电容式微加速度传感器出现。

90年代，压电式微加速度传感器设计成功。

受到扫描式隧道显微镜的启发，人们于20世纪末又开始隧道式硅微加速度计的研究[2]。

如今，微加速度传感器仍具有巨大研究活力。

2.2微加速度传感器的分类2.2.1压阻式微加速度传感器压阻效应是指当半导体受到应力作用时，由于应力引起能带的变化，能谷的能量移动，使其电阻率发生变化的现象。

压阻式微加速度传感器的悬臂梁上有压敏电阻，当质量块发生位移时，梁上的应力发生变化，进而改变压敏电阻的阻值，最终把加速度转变为电信号。

压阻式微加速度传感器经常使用三种结构。

双悬臂梁结构灵敏度高，但使用频率范围低，横向效应大，适用于小量程应用；双端支撑的四梁结构频率特性好，但灵敏度较低，适用于大量程应用；双岛五梁结构可以消除横向效应，灵敏度适中，适用于一般应用[1]。

压阻式微加速度传感器中比较典型的产品是美国EG&G ICSENSORS公司的产品，该公司传感器既有一维加速度传感器(如3022、3028、3145、3255等)，也有三维加速度传感器(如3355)，测量范围有0～e2509或0～e5009等[3]。

电容式MEMS加速度计的设计与制备技术研究MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是微机电系统的英文缩写，是将微米尺度的机械系统集成到微电子芯片中的一种技术。

MEMS技术被广泛应用于各种领域，包括传感器、生物医学、微电子器件等。

其中，MEMS加速度计是一种常用的MEMS传感器，用于测量物体在三个不同轴向上的加速度，并且可以识别物体的轴向。

电容式MEMS加速度计是MEMS加速度计中一种常用的构型。

它采用了电容原理，通过测量微机械加速度感应器上电容的变化来检测加速度。

电容式MEMS加速度计的设计与制备技术是MEMS技术领域内的热门研究方向。

本文将从几个方面论述电容式MEMS加速度计的设计与制备技术研究进展。

一、基本原理电容原理是电容式MEMS加速度计工作的基本原理。

电容是指两个金属板之间的介质的电容量。

当这两个板移动时，电容量会发生变化。

电容式MEMS加速度计中将一个金属板固定在MEMS芯片上，另一个金属板通过弹簧与芯片相连。

当芯片受到加速度作用时，会使另一个金属板发生相对运动，从而导致电容量的变化。

二、主要结构电容式MEMS加速度计的主要结构包括加速度感应器、电荷放大器、微控制器等。

加速度感应器是电容式MEMS加速度计的核心，在其中电容变化进行检测。

一般情况下，电容式MEMS加速度计中还安装有环境和其他干扰的过滤器以保证测量的准确性。

通过对电容变化进行放大和处理，数据可以传输到微控制器中进行处理和分析。

三、制备材料电容式MEMS加速度计的制备材料主要包括金属材料、绝缘材料、机械支撑材料等。

电容式MEMS加速度计中金属材料一般采用铝、金、铜等。

这些材料的选择主要考虑其机械性能和电学性能。

对于绝缘材料的选择，一般会选择具有较好电介质性能的材料，如氧化硅、氮化硅等。

机械支撑材料则需要具有较好的强度和尺寸稳定性。

四、制备工艺电容式MEMS加速度计的制备工艺一般分为两个部分，即MEMS芯片制备和封装。

半导体传感器的不同类型半导体传感器是一种基于半导体材料特性制成的传感器，用于检测和测量环境中的物理量或化学量。

它们具有高灵敏度、高响应速度、小体积和低功耗等优点，广泛应用于自动化控制、医疗卫生、环境监测、安防等领域。

本文将介绍半导体传感器的不同类型。

温度传感器温度传感器是半导体传感器的一种，用于检测环境温度变化。

常见的温度传感器有热电偶、热敏电阻、集成电路温度传感器等。

其中，热敏电阻是最常用的，它基于半导体材料的温度系数，随着温度的变化，电阻值也会发生变化。

因此，可以通过测量电阻的变化来确定环境温度。

湿度传感器湿度传感器是用于检测环境湿度变化的半导体传感器。

常见的湿度传感器有电容湿度传感器、电阻湿度传感器和集成电路湿度传感器等。

其中，电容湿度传感器是最常用的，它通过测量环境中水分对电容器的影响来确定湿度。

光学传感器光学传感器是一种基于半导体材料制成的传感器，用于检测环境中的光强度和光波长等信息。

常见的光学传感器有光电二极管、光敏电阻和光学传感集成电路等。

其中，光电二极管是最常用的，它基于半导体材料的光电效应，当光线照射其表面时，会产生电子-空穴对，并输出电信号。

气体传感器气体传感器是用于检测环境中气体浓度的半导体传感器。

常见的气体传感器有氧气传感器、二氧化碳传感器、甲烷传感器和一氧化碳传感器等。

这些传感器基于半导体材料与特定气体之间的化学反应，当特定的气体进入传感器时，会引起电信号的变化。

压力传感器压力传感器是一种用于检测环境压力变化的半导体传感器。

常见的压力传感器有电容式压力传感器、磁阻式压力传感器和压电式压力传感器等。

其中，电容式压力传感器是最常用的，它通过测量电容器的电容值来确定环境压力。

加速度传感器加速度传感器是用于检测物体加速度变化的半导体传感器。

常见的加速度传感器有压电式加速度传感器、微机械式加速度传感器和场效应式加速度传感器等。

这些传感器基于半导体材料具有的机械振动特性，当物体受到加速度影响时，会产生机械振动，并输出电信号。