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嵌入可動(dòng)電極的微慣性傳感器的設(shè)計(jì)

MEMS電容式微慣性傳感器因其具有尺寸小、靈敏度高、穩(wěn)定性好、溫度漂移小、功耗低、很好的工作在力平衡模式下等等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、消費(fèi)電子、慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 本首先分析了電容式微慣性傳感器的測(cè)量控制原理和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，并在此基礎(chǔ)上通過三個(gè)方面設(shè)計(jì)出新型嵌入橫向可動(dòng)電極的微慣性傳感器，分別是：支撐梁結(jié)構(gòu)、微執(zhí)行器結(jié)構(gòu)和檢測(cè)電容結(jié)構(gòu)。通過分別對(duì)以上三方面不同結(jié)構(gòu)模型的分析對(duì)比，在傳感器設(shè)計(jì)中選用U形梁結(jié)構(gòu)作為傳感器的支撐梁，電磁執(zhí)行器作為驅(qū)動(dòng)力，梳柵結(jié)構(gòu)作為檢測(cè)電容結(jié)構(gòu)。

其中為了克服深反應(yīng)離子刻蝕關(guān)于深寬比不能做大的限制和降低噪聲，詳細(xì)介紹了電磁驅(qū)動(dòng)增大傳感器初始檢測(cè)電容的工作原理，通過嵌入可動(dòng)電極和電磁驅(qū)動(dòng)作用減小電容間隙，結(jié)果表明，電磁驅(qū)動(dòng)使得傳感器的電容間隙減小4μm，初始檢測(cè)電容由1.28pf增大到6.4pf。 根據(jù)以上理論分析和參數(shù)設(shè)計(jì)，給出了新型電容式微慣性傳感器的整體結(jié)構(gòu)模型，并利用有限元軟件Ansys進(jìn)行。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的傳感器在非敏感方向上梁的剛度較大，軸向交叉效應(yīng)得到了有效抑制；傳感器的靜態(tài)位移靈敏度為0.659μm/g，施加電磁驅(qū)動(dòng)前后的電容靈敏度分別為0.15pf/g和0.192pf/g，增大為原來的1.28倍；同時(shí)應(yīng)力分析結(jié)果表明，傳感器能夠抵擋1000g的加速度信號(hào)的沖擊而不被損壞。之后利用電磁分析軟件ANSOFT-Maxwell分析了邊緣效應(yīng)對(duì)傳感器性能的影響，表明小尺寸的傳感器電容的邊緣效應(yīng)不可忽略。

接近傳感器的分類

接近傳感器按工作原理分:高頻振蕩型、電容型、感應(yīng)電橋型、磁鐵型和霍耳效應(yīng)型等。

按操作原理可分為三類：利用電磁感應(yīng)的高頻振蕩型，使用磁鐵的磁力型和利用電容變化的電容型。

按檢測(cè)方法分：通用型：主要檢測(cè)黑色金屬（鐵）所有金屬型：在相同的檢測(cè)距離內(nèi)，檢測(cè)任何金屬。

有色金屬型：主要檢測(cè)鋁一類的有色金屬 根據(jù)結(jié)構(gòu)類型分:

1、兩線制接近傳感器：兩線制接近傳感器安裝簡(jiǎn)單，接線方便；應(yīng)用比較廣泛，但卻有殘余電壓和漏電流大的缺點(diǎn)。

2、直流三線式：直流三線式接近傳感器的輸出型有NPN和PNP兩種，70年代日本產(chǎn)品絕大多數(shù)是NPN輸出，西歐各國NPN、PNP兩種輸出型都有。PNP輸出接近傳感器一般應(yīng)用在PLC或計(jì)算機(jī)作為控制指令較多，NPN輸出接近傳感器用于控制直流繼電器較多，在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)控制電路的特性選擇其輸出形式。

傳感器的作用（二）

4、壓力傳感器

作用：壓力傳感器主要以力學(xué)信號(hào)為媒介，把流量等參數(shù)與電信號(hào)聯(lián)系起來，可測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力、氣缸壓力、大氣壓、油壓等，常用壓力傳感器可分為電容式、半導(dǎo)體壓阻式、差動(dòng)變壓器式和表面彈性波式。

電容式多檢測(cè)負(fù)壓、液壓、氣壓，可測(cè) 20～100kPa 的壓力，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速敏捷，能抵御惡劣工作條件；壓阻式需要另設(shè)溫度補(bǔ)償電路，它常用于工業(yè)生產(chǎn)；相對(duì)于差動(dòng)變壓器式不穩(wěn)定的數(shù)字輸出，表面彈性波式表現(xiàn)異，它小巧節(jié)能、靈敏可靠，受溫度影響小。

5、氣體濃度傳感器

作用：被用來檢測(cè)各種氣體濃度。比如氧傳感器，多在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中，用來評(píng)價(jià)空燃比。目前應(yīng)用的有氧化鋯式和氧化鈦式。氧化鋯式更受歡迎，它能在一定溫度下將元件極板內(nèi)兩側(cè)氧濃度差化為濃差電動(dòng)勢(shì)，成本低廉，而且測(cè)試結(jié)果受環(huán)境影響很小。

6、溫度傳感器

作用：溫度傳感器主要用于檢測(cè)動(dòng)力系統(tǒng)和車內(nèi)的溫度，它使用了不同種類的電阻器：線繞式、熱敏式、熱偶式。線繞電阻式和熱偶電阻式精度比較高，但線繞電阻式響應(yīng)不及時(shí)，熱偶電阻式不能單獨(dú)使用必須搭配放大器和冷端處理，而熱敏電阻式雖靈敏但線性差，使用溫度有限，因此三種傳感器各有優(yōu)劣。

7、爆燃傳感器

作用：它被安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上，可檢測(cè)氣缸壓力、振動(dòng)和燃燒噪聲，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃程度，再通過調(diào)整點(diǎn)火來排除隱患。爆燃傳感器常用磁致伸縮式。