叉指电容式汽车安全气囊硅微加速度传感器的设计和分析

传感器结业论文电容式加速度传感器在汽车安全气囊系统中的应用学生姓名：指导教师：所在学院：专业：电气工程及其自动化2012 年12 月本科毕业设计（论文）任务书摘要给出了一种基于MEM战术制作的微电容式加速度传感器的结构及工艺。

为了准确地把握这种微电容式加速度传感器的力学和电学特性，仔细地建立了它的力学模型。

在此基础上，详细分析了它的动态特性------------------- 模态。

并用有限元的方法分析和计算了微电容式加速度传感器的加速度与电容信号的非线性输入输出关系，并结合实测参数验证了模型的有效性。

最后提出了一种详细的有效的基于MEMSJ术的微电容式加速度传感器的结构以及加工工艺流程。

基于MEMS技术制作的微电容式加速度传感器具有结构简单、工作可靠和工作范围大的特点。

根据这套方法，可以比较方便地设计并加工不同测量要求的加速度计。

MEMS微机电系统）传感器在高档汽车中，大约采用25至40只MEM传感器,其中有安全气囊中的汽车安全气囊感应器。

气囊做为车身被动安全性的辅助配置，日渐受到人们的重视。

关键词：MEMS技术微电容微机电系统目录摘要 (I)前言 (III)1绪论 (1)1.1初步了解汽车安全气囊 (1)1.2汽车安全气囊系统与相应的各部件的功能 (1)1.3电容式加速度传感器在系统中的目的及意义 (2)2.电容式加速度传感器在系统中的工作原理 (2)2.1基于MEMS^术的微电容式传感器的模型及其原理 (2)2.2有限元模型分析与实测参数 (3)2.3工艺流程设计 (5)3.MEMS电容式加速度传感器在汽车安全气囊系统 (6)3.1 智能汽车安全气囊系统 (6)4. .............................................................................................. 电容式加速度传感器在汽车安全系统中的实际应用. (7)结论 (8)参考文献 (9)、八, 、■前言汽车安全气囊系统（简称SRS是辅助安全系统，它通常是作为安全带的辅助安全装置出现。

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。

叉指”构造微加速度计的体系规划使用MEMS技能研发静电伺服微加速度计，在享受了MEMS加工特色带来的体积小、功耗小、抗振能力强等优点的同时，也遇到了检测电容极小（10- 12F）、静电力反应力小等难题，要使微加速度计满意性能需求，有必要进行合理的体系规划。

研讨的“叉指”构造微加速度计属静电伺服微加速度计，由敏感芯片和伺服控制电路构成。

其敏感芯片用体硅干法技术加工而成，其显微照片如图1所示，芯片面积3.2mm′ 3.2mm。

当闭环体系为深反应时，惯性力与反应力就大小来说持平，即ma=Ffb，若视电容为抱负平板电容，上、下电容空隙持平，则a=2e SUdc × Uout /(md0)2，由此可见反应电压（也是输出电压）Uout与加速度a成正比，m为质量块质量，d0为上、下电容空隙，S为电容极板面积，e 为真空介电常数，Udc为直流偏压幅值。

该加速度计的体系框图如图2所示，整个体系包括表头、差分电容检测、沟通扩大、乘法器解调、低通滤波、PID调整、静电反应环节等环节，各环节传递函数及参数见表1。

体系闭环传递函数，要满意输出不受前向环节G(s)的影响，需求G(s)×Kfb?1。

因为Kfb仅为5.04′ 10- 6，故有必要很大，本体系的前向环节扩大倍数为5.4′ 107，开环扩大倍数271?1。

体系通过这样调整后，开环扩大倍数增大或减小50?刻度因数的变化现已很小了。

别的，因为差分电容检测电路引进一个微分环节，需求在校对环节中参加一个积分环节，才能使体系安稳。

依据表1参数，绘出体系的相位域度为45°，幅值域度为8.7dB。

同时，体系在受到1m/s2阶跃加速度信号作用时体系输出电压与时刻的联系标明，体系能敏捷安稳。

表1 体系各环节传递函数及参数环节传递函数表达式传递函数中的参数表头f = (ms2+cs+k)- 1m =5.04×10- 5g , c = 5.14×10- 1g/s , k =15 N/m差分电容检测Kpos = 2t s/ [(t s+1)2d0]- 1Udrt = RC0=0.1m s , Udr = 2V , d0 = 3.1m m沟通扩大KacKac =8′ 103乘法器解调Kdm = Udr /20正弦鼓励电压的幅值Udr=2V低通滤波c = (Ts+1)- 1T=0.05sPID校对(Kp× K1)× [ t ss (t 1s+1)]- 1Kp = 10s , K1 = 600s , t s = 1ms，t 1 = 0.15ms静电反应Kfb = (2e SVdc)/d02Kfb =5.04×10- 6体系开环扩大倍数(1/k)(2t /d0)UdrKacKdm(1/t )KpK1Kfb271使用表1参数调试电路，微加速度计的输出电压安稳，开环扩大倍数增大或减小50?刻度因数不变，刻度因数为100mV/g，与计算值相同。

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。

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。

硅微电容式、隧道式加速度计检测技术研究的开题报告一、背景介绍加速度计是一种广泛应用于工业生产、机械制造和航空航天等领域的传感器。

它能够检测物体在运动或受力的过程中的加速度。

目前，常见的加速度计有电容式、压电式、磁电式等多种类型。

其中，硅微电容式加速度计和隧道式加速度计被广泛应用，具有高灵敏度、高精确度、小体积和低功耗等优点。

硅微电容式加速度计是一种基于微机电系统（MEMS）技术制造的加速度计。

它采用硅晶圆作为ASIC芯片的基底，通过微细加工技术制造出微小的加速度感受器件，并与电路连接。

硅微电容式加速度计可以实现大范围的加速度检测，广泛应用于航空、汽车、电子等领域。

隧道式加速度计是一种基于量子力学原理的传感器。

它利用隧道效应来测量加速度。

隧道式加速度计具有高精确度、高灵敏度、小体积等优点，特别是在高精度导航、航天器姿态控制等领域中得到广泛应用。

然而，硅微电容式和隧道式加速度计在实际应用中也存在一些问题，如温度漂移、失效率高等。

因此，对硅微电容式和隧道式加速度计技术进行研究和改进，以提高其性能和应用范围具有重要意义。

二、研究目标本课题旨在研究硅微电容式和隧道式加速度计的检测技术，探索解决其存在的问题，提高其性能和稳定性。

具体研究目标如下：1. 研究硅微电容式和隧道式加速度计的工作原理和特点，分析其存在的问题和改进空间；2. 设计硅微电容式和隧道式加速度计的检测系统，包括传感器设计和数据采集系统，以实现对加速度的精确检测；3. 探讨硅微电容式和隧道式加速度计的温度漂移问题，并设计解决方案，提高其稳定性和精确度；4. 研究硅微电容式和隧道式加速度计的失效率问题，设计改进措施，提高其可靠性和寿命；5. 对实验数据进行分析和处理，验证所设计的检测系统的可行性和有效性。

三、研究内容1. 硅微电容式加速度计的检测技术研究（1）分析硅微电容式加速度计的工作原理，研究电容变化与加速度的关系；（2）设计硅微电容式加速度计的传感器和数据采集系统，建立检测系统；（3）实验验证传感器和检测系统的性能和精度；（4）分析硅微电容式加速度计的温度漂移原因，提出解决方案；（5）分析硅微电容式加速度计失效的原因和影响，提出改进措施。

固态传感器及其集成化实验报告实验一叉指电容式开环加速度计原理1. 实验目的（1）通过实验熟悉微加速度计的工作原理及其应用，进一步加深对固态传感器概念与特性的理解。

(2)学习加速度计整体电路模块的设计和仿真。

2. 开环电容式加速度计原理简介叉指式微加速度计是一种典型的微机电系统产品，由于它的高灵敏度、好的直流响应、低噪声、低漂移、对温度的敏感性低、低能耗、结构简单的优点，使其有着广泛的应用前景，也是目前国内外攻关的热点之一.微加速度计涉及到多学科领域的相互作用，如何用模型来较为准确地反映各个领域间的相互作用关系以及如何实现机电混合系统的接口，是设计的关键，一直是比较难于解决的问题•论文采用了一种新的建模仿真法，即原理级描述仿真法，建立了叉指式微加速度计的参数化机电混合系统模型，对其进行分析研究.该文研究了弹性梁参数对加速度计结构谐振频率、灵敏度、交叉耦合误差的影响趋势，在此基础上给出了一组优化了的弹性梁参数；分别研究了开环和闭环系统检测方式下静电力作用对加速度计性能的影响、吸附现象及弹簧的静电软化现象，在此基础上给出了偏置电压、检测激励信号的取值规则；研究了叉指式微加速度计的动态响应特性，在此基础上优化了电路结构及参数.论文的主要研究结论与实验结果一致.2.1.微结构的工作原理加速度传感器是一种惯性传感器，其基本结构是由弹性梁和惯性质量组成的转换系统，可以等效成由质量、弹簧组成的单自由度二阶阻尼振动系统，利用系统的在低频区的线性频率响应实现对被测参量一一加速度的测量。

加速度传感器的机械部分可以表征为如图2-1所示的系统结构。

A kJm图2-1加速度传感器的机械系统原理其中m为振动块质量，R为阻尼系数，k为弹性系数，a为加速度，根据牛顿第二定律可建立振动微分方程：(2-1) 将仿真(2-1)进行拉普拉斯变换：(2-2)(2-3) 其中为固有谐振频率，为品质因数。

为了方便使用，我们把单位加速度作用下的质量块位移定义为加速度传感器结构的灵敏度。