Сенсоры механических величин на емкостном принципе преобразования

Министерство  Образования РФ

Новосибирский Государственный Технический Университет

 

 

 

 

 

Сенсоры механических величин на емкостном принципе преобразования.

 

 

 

 

Факультет: РЭФ

Группа: РММ2-21

Студент: Сухих А.С.

Преподаватель: Лобач О.В.

 

 

Новосибирск 2012

Содержание

1. Принцип действия емкостных сенсоров…………………………………………………………………Стр.3

2. Емкостные датчики давления………………………………………………………………………………….Стр.4

3.Емкостные датчики ускорения  (акселерометры)…………………………………………………….Стр.6

4.Емкостные гироскопы……………………………………………………………………………………………….Стр.8

5. Технология изготовления емкостных  сеносоров давления…………………………………...Стр.12

Список литературы……………………………………………………………………………………………………….Стр.15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Принцип действия емкостных  сеносоров

Рис.1 Принцип действия емкостного датчика

Чувствительным элементом любого емкостного сенсора является конденсатор  с подвижными обкладками. Прицип действия сенсоров основан на зависимости  емкости конденсатора от расстояния между обкладками. Под воздействием внешней силы расстояние между обкладками чувствительного элемента изменяется, что приводит к изменению емкости, которое, в свою очередь, фиксируется измерительной схемой датчика. Емкость конденсатора зависит от площади его обкладок, а т.к. МЕМС сенсоры в большинстве своем имеют микрометрические размеры, величина емкости их чувствительных элементов не привышает единиц пикофарад. В связи с тем, что сдвиг подвижной пластины очень мал, таковым является и изменение емкости (порядка 10...15 фФ). Поэтому лучше измерять разницу между емкостями двух конденсаторов, один из которых имеет постоянную емкость. Ток подается поочередно на каждый из конденсаторов сенсора в течение фиксированного временного интервала. При этом напряжение на выходе интегратора, обратно пропорциональное емкости конденсатора, фиксируется в блоке хранения и сравнения. Сигнал на выходе последнего пропорционален разности емкостей. Далее сигнал поступает на ФНЧ, который ограничивает его высокочастотные составляющие, и усиливается еще одним усилителем, который одновременно обеспечивает температурную компенсацию.

Рис.2 Структурная схема емкостного датчика на примере датчиков

Freescale Semiconductor

 

 2.Емкстные датчики давления

Чувствительным элементом в  емкостном сенсоре давления является конденсатор, одна из обкладок которого выполнена в виде подвихной мембраны. Мембрана подвергается воздействию измеряемой среды и располагается напротив одной или нескольких неподвижных пластин с зазором. При перемещении мембраны емкость между пластинами изменяется.Емкостные приборы потребляют относительно небольшой ток, поэтому могут использоваться в беспроводных приложениях с питанием от батареи. Присущая им возможность измерения температуры часто может использоваться для получения дополнительного показателя измеряемого процесса.

Рис.3 Структура емкостного датчика давления

Высокая точность измерения может  быть получена на емкостных сенсорах, содержащих подвижную обкладку конденсатора в виде мембраны из монокристаллического кремния. Потенциальные преимущества емкостных сенсоров, содержащих кремниевую мембрану, по сравнению с кремниевыми тензорезистивными сенсорами состоят в следующем:

1. Возможность работы в условиях  больших относительных изменений  емкости – реально, 20 ÷ 40% на диапазон измерения, в то время как соответствующие изменения сопротивлений кремниевых тензорезисторов, как правило, не превышают 2%. Ясно, что при, во всяком случае, не меньших возможностях современной электроники в точности измерения емкости по сравнению с точностью измерения сопротивления на емкостных сенсорах потенциально можно достичь на порядок меньшей погрешности измерения или на порядок расширить диапазон измерения давления.

2. Меньший технологический разброс  по чувствительности, поскольку  исключается фактор отклонения местоположений тензорезисторов относительно края мембраны.

3. Большая долговременная стабильность  емкости по сравнению с полупроводниковым сопротивлением,что объясняется малыми токами утечки с емкостных электродов, изолированных друг от друга высокоомными диэлектрическими прослойками (перемычками). Кроме того, перемещение подвижного емкостного электрода под давлением является интегральной характеристикой деформаций всей площади мембраны и слабо чувствительно к локальным дефектам кремния.

4. Малое энергопотребление и  малый саморазогрев мембранного  блока.

5. При удачном подборе материалов  конструкции емкостного сенсора по КТР его температурные погрешности могут быть снижены до уровня 10–5 1/°С.

К недостаткам емкостных сенсоров следует отнести высокую нелинейность выходного сигнала, наличие паразитных емкостей и более высокую по сравнению  с тензорезистивными сенсорами  чувствительность к электромагнитным наводкам. Эти недостатки вызывали известную настороженность потребителей к емкостным сенсорам. Однако с повышением качества микроэлектронных комплектующих и расширением выпуска относительно недорогих микропроцессоров к середине 80-х гг. эта настороженность сменяется растущим числом разработок и всё более широким выпуском емкостных сенсоров. Например, оценке в 90-е гг. доля емкостных сенсоров среди общего числа европейского рынка сенсоров давления возросла за семь лет примерно в два раза.

3. Емкостные акселерометры

Рис.4 Принцип работы двухосевого акселерометра

На сегодняшний день наиболее популярны  датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы  – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной  части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается  относительно обкладки на неподвижной  части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это  изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его  массу и параметры подвеса, легко  найти и искомое ускорение.

Рис.5 Простейший одноосевой емкостонй акселерометр

Акселерометры начинают находить применение и в сейсмических системах записи, мониторах станков и механизмов, диагностических системах, т.е. там, где необходимо измерять ускорение, удар и вибрацию. Первые выпущенные на рынок в 1993 году акселерометры типа ADXL50, занимающие совместно со схемой формирования сигнала площадь кристалла в 5 мм2, были разработаны фирмой Analog Devices в 1991-м. Цена акселерометра составляла 12 долл. против 200 долл. для применявшихся тогда датчиков на базе подшипников и трубок из нержавеющей стали. Благодаря появлению дешевых датчиков ускорения стоимость системы управления воздушной подушкой сегодня равна -30 долл. Сейчас фирма ежегодно продает около 50 млн. МЭМС. Причем на долю акселеромегров приходится почти 50% общего дохода от их продаж.

Рис. 6 Многоосевой акселерометр со сложным подвесом

Среди многочисленных автомобильных применений акселерометров наиболее типичным является система  воздушных подушек безопасности. В таких системах акселерометры  применяются, чтобы определить серьезность  аварии и необходимость развертывания  подушки. Вместе с этим акселерометры  могут использоваться, чтобы определить рыскание автомобиля, движение под  большими уклонами или потерю тяги. В этом случае датчики устанавливаются  на передаче, рулевой тяге и колесах  автомобиля. При потере тяги или  управления автомобилем, микроконтроллеры используют данные акселерометров, чтобы  определить направление и положение  автомобиля и внести коррективы. Еще  одним очень распространенным применением  в автомобильной области являются противоугонные системы, в которых  инерциальные датчики детектируют  качание и удары по охраняемому  автомобилю.

Несмотря  на то, что основным назначением  инерциальных датчиков является измерение  ускорения, эти датчики все же больше чем акселерометры. Способные  измерять наклон, движение, положение, силу ударов и вибрацию, они осуществили  прорыв во многих других отраслях, среди которых бытовая, промышленная, компьютерная, геодезическая, строительная и медицинская техника:

Автомобильная электроника:

Подушки безопасности, Датчики критического крена, Краш-тесты, Динамический контроль, Тормозная система, Противоугонная система, Адаптивная подвеска.

Промышленная/гражданская  электроника:

Защита жестких  дисков PC, MP3-проигрыватели, Электронные компасы, Эргономичный инструмент, Стабилизаторы изображения, Прокрутка текста в PDA, Манипуляторы для систем виртуальной реальности, Охранные системы, GPS-навигаторы, Логгеры событий/черные ящики, Контроль погрузки/выгрузки товара, Ударные выключатели, Акустическое оборудование, Контроль осанки, Сейсмографы, Робототехника.

 Медицинская/спортивная электроника:

Физиотерапевтическое  и реабилитационное оборудование, Шагомеры, Спортивно-медицинское оборудование, Спортивное диагностическое оборудование.

4. Емкостные гироскопы

Кориолисовы вибрационные гироскопы

Принцип работы вибрационных кориолисовых гироскопов основан на том, что вращающийся  вибрационный элемент (вибрационный резонатор) подвержен эффекту Кориолиса, состоящему в том, что вызывается вторичная вибрация, ортогональная оригинальному направлению вибрации. Детектирование параметров вторичной вибрации позволяет определять угловую скорость.

Рис.7 Вибрационный гироскоп

При вращении вибрирующей плоскости  возникает ускорение (или сила) Кориолиса, пропорциональное скорости вращения. Объект, размещенный на вращающейся  платформе радиусом r и перемещаемый вместе с платформой с угловой скоростью ω, характеризуется тангенциальной скоростью ωr относительно Земли. Объект, приближенный к центру, отличается значительно меньшей тангенциальной скоростью, чем объект, размещенный ближе к краю платформы в результате его перемещения в радиальном направлении. Скорость увеличения тангенциальной скорости, вызванная радиальной скоростью υ, представляет собой ускорение Кориолиса. Если r изменяется вместе со скоростью υ, тангенциальное ускорение Кориолиса составит 2ωυ. При наличии массы объекта M платформа должна прикладывать силу реакцию опоры 2Mωυ. В вибрационных гироскопах вместо подвижного объекта используется резонирующая масса, размещаемая на вращающейся платформе. Для того чтобы измерять ускоре ние Кориолиса, которое испытывают масса и фрейм и вследствие этого оба перемещаются в сторону на 90° от вибрационного движения, фрейм с резонирующей массой прикрепляется к подложке посредством пружин, размещенных также ортогонально к резонансному движению. Для измерения ускорения Кориолиса часто используются пальцеобразные конденсаторные обкладки. Если пружины характеризуются жесткостью K, перемещение относительно фрейма составит 2 ωυM/K. При увеличении скорости вращения ω увеличивается и перемещение массы, и сигнал формируется на основе соответствующего емкостного изменения. Гироскоп может находиться в любом положении относительно вращающегося объекта, но его сенсорная ось должна быть тангенциальна направлению вращения.

Камертонные гироскопы

Рис.8 Камертонный гироскоп

 

Микромеханические гироскопы дизайна tuning fork впервые были разработаны Charles Stark Draper Laboratory в 1991–1993 годах. Tuning Fork Gyroscope — это устройства, в которых две кремниевые массы совершают колебания равной амплитуды, но в противо положном направлении. При вращении сила Кориолиса создает ортогональную вибрацию, которая может измеряться различными средствами, образуя сигнал, пропорциональный смещению от плоскости. Физическая модель эквивалентна двум зубцам камертона, связанным посредством соединительной балки, которые резонируют с определенной амплитудой. Когда зубцы вращаются, сила Кориолиса действует как сила, перпендикулярная проекциям зубцов в плоскости камертона, которая обнаруживается как поворот или скручивание. Данная сила пропорциональна приложенной угловой скорости. Гироскоп Charles Stark Draper Laboratory использует пальцеобразные емкостные электродные структуры — для того чтобы вводить камертон в резонанс и осуществлять его вращение вокруг любой оси в плоскости ИС. Помимо емкостного, могут быть использованы также электростатические, электромагнитные, пьезоэлектрические или пьезорезистивные измерительные принципы. Первый гироскоп Charles Stark Draper Laboratory разрешением 4000°/ч и дрейфом в 1°/ч был разработан именно для автомобильной промышленности и применялся для контроля проскальзывания в АБС. Затем характеристики гироскопов tuning fork были улучшены. В 1994 году было достигнуто разрешение 500°/ч, в 1997 году — 100°/ч. Стабильность дрейфа достигла величины 0,1°/ч. При этом также были значительно снижены шумы и повышен SNR. Технологию Draper's Tuning Fork в свое время приобрела корпорация Honeywell — для того, чтобы применять ее вместо своих лазерных гироскопов. В настоящее время дизайн tuning fork один из наиболее популярных и успешных MEMS-дизайнов, его используют такие ведущие компании, как Analog Devices, Bosch, Melexis, Systron Donner или Matsushita.

Гироскопы дизайна Vibrating-Wheel

Гироскоп Vibrating-Wheel включает колесо, которое вибрирует вокруг своей оси симметрии. Вращение в плоскости образует наклон колеса, который определяется, например, емкостными электродами. Этот дизайн позволяет определять две оси вращения с одним вибрирующим колесом. Поверхностный микромеханический поликремниевый гироскоп дизайна vibrating wheel gyro впервые был разработан U.C. Berkeley Sensors and Actuators Center. В настоящем эта технология используется компанией Bosch.

Гироскопы дизайна Wine Glass Resonator

Гироскопы дизайна Wine Glass Resonator изготавливаются из расплавленного кремнезема и известны также как полусферические резонансные гироскопы hemispherical resonant gyro. Исследователи Мичиганского университета (University of Michigan) разработали различные модификации кольцевого резонирующего гироскопа resonant ring gyros в планарной форме. В гироскопе wine glass gyro резонансное кольцо (resonant ring) вво-дится в резонанс, и положения узловых точек индицируют угол вращения. В настоящее время аналогичные исследования проводят ученые Калифорнийского университета (University of California), также заинтересованные в приобретении ведущих позиций в области MEMS-гироскопов. Технология vibratory ring лежит в основе коммерчески доступных гироскопов Silicon Sensing Systems.