第5章 硅电容式微传感器

1、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

2、 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

3、，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

4、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

5、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

6、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