第5章-硅电容式微传感器课件

第5章 硅电容式微传感器 硅是一种半导体，在元素周期表中处于金属和非金属之间。平板电容器的公式：5.1 典型传感器结构及工作原理 目前实际应用的典型硅电容式微传感器有微型硅加速度计、硅集成压力传感器和CMOS集成电容湿度传感器。5.1.1 微型硅加速度计 微型硅加速度计是一种新颖的加速度传感器，它采用硅单晶材料，采用微机械加工工艺实现。其结构主要有梁-质量块结构以及叉指电容式结构。梁-质量块式结构 图5-1 加速度传感器工作原理图 叉指式结构 图5-2微电容加速度计的结构示意图 图5-3 叉指式差分电容式加速度传感器的工作原理 常见微梁图5-4 单梁叉指结构图 图5-5 双梁叉指结构图 图5-6 四梁叉指结构图 图5-7 ADXL系列微机械电容式加速度传感器 图5-8 ADXL05内部功能方块图及基本接法 表5-1 ADXL05主要性能 5.1.2 硅集成压力传感器 电容式压力传感器是继压阻式压力传感器之后，新发展起来的一种压力传感器，它被广泛地应用于各个领域，与压阻式压力传感器相比，具有以下特点：小功率、高阻抗电容传感器电容量很小，一般为几十到几百微微法，因此具有高阻抗输出；小的静电引力和良好的动态特性，电容传感器极板间的静电引力很小，工作时需要的作用能量极小，并且它有很小的可动质量，因而有较高的固有频率和良好的动态响应特性；本身发热很小，对测量结果影响可以不计；可进行非接触测量。（a）原理图（b）结构图 图5-9 CP7电容式压力传感器原理图 5.1.3 CMOS集成电容湿度传感器 电容型湿度传感器一般有两类：直接感湿，即直接将大气作为电介质材料。间接感湿，即利用其他电介质材料吸附大气中的水汽，从而导致电介质材料介电常数随空气湿度变化 湿度传感器的感湿介质和结构 感湿介质 常用的湿度传感器感湿介质主要有：多孔硅，聚酰亚胺和空气。电容湿度传感器的结构 电容型湿度传感器的结构通常可以分为两种：三明治型，如图5-10（a）、（b）所示；平铺型，如图5-10（c）所示。（a）（b）（c）图5-10 电容湿度传感器结构 湿度传感器实例 平铺叉指型 图5-11 平铺叉指结构 三明治叉指型结构 图5-12 三明治叉指结构 5.2 设计、建模与仿真 系统设计包括两个方面，即微传感器设计与系统电子线路设计两大部分。对于一个机电混合系统来讲，这两部分的设计是密不可分的，任何孤立的单方开发都无助于整个系统的最终形成。5.2.1 硅微加速度传感器设计 柔韧性设计原则 强度设计原则 同向性原则 灵敏性设计原则 弹性线性设计原则 梁-质量结构设计 图5-13梁-质量块结构 5.2.2 硅集成压力传感器设计 图5-14 硅电容敏感器件结构图 圆膜挠度计算5.2.3 等效电学模型 图5-15 微机械加速度传感器的等效电路 5.3 典型接口电路 几乎所有用来测量电容式传感器的电路是基于电容差值的测量方法，这是因为被测量的电容值通常是在几个10-18到几百个10-12范围内，而采用电容差值的测量方法恰好可以满足这个测量范围的要求。5.3.1 CAV系列接口电路 图5-16CAV424电路结构和应用电路图 5.3.2 XE2004接口电路 图5-19 XE2004内部结构框图 5.3.3 MS3110接口电路MS3110采用调制解调的电容检测方法。MS3110 芯片内部能够产生2路幅值相同、相位相反的方波信号作为输出电容的载波信号,实现对电容变化的调制,调制信号通过电荷积器将电容变化转换为电压变化,采样保持电路对调制信号进行解调,经过低通滤波、增益放大就得到与电容差成正比的电压信号。5.4 检测与质量保证 电容式加速度传感器的可动极板与固定极板组成的空气间隙一般在微米数量级上，这样传感器的动态特性就由机械系统-声系统的相互作用效应来决定，其中主要是可动系统中的空气阻尼的作用。5.4.1 加速度计的静态校准 地球重力场法 负载法 离心机法 图5-20 XJ2-1线加速度模拟台5.4.2 硅压力传感器的可靠性测试 典型测试项目有：加偏压的脉冲式压力温度循环测试（PPTCB）；加偏压的高湿度、高温测试（H，TB）；加偏压的高温测试（HTB）；高温和低温贮存寿命测试（HTSL和LTSL）；温度循环测试（TC）；机械振动测试；变化频率的可变性测试；焊接能力测试；反面爆裂测试；盐雾大气环境测试。提高硅压力传感器可靠性的措施通常有：在一定的功能下，其设计方案愈减愈好，器件数量愈少愈好；对器件实行减额使用，减轻其负荷量等。