lc諧振式振動傳感器的設計與實現-wenkub.com

　 　

【正文】 最后，我再次向各位老師和同學表示感謝，不僅僅是因為你們幫助我完成了畢業設計，更是因為你們還教會了我學習之外的很多事情，這些品質會讓我受用終身。在此，我向梁老師表達我最誠摯的謝意。參 考 文 獻[1] 章吉良,[M].上海:上海交通大學出版社,1999:10~11[2] [M]. 南京:東南大學出版社,2000:26[3] [J].現代防御技術,1997,1:5[4] [J].2000,5(1):1~2 [5] 李炳乾,朱長純,[J].國外電子元器件,2001,1:4~8[6] Bao M H. Future of microelectromechanical systems (MEMS) [J].Sensors and Actuators A,1996:135~141[7] 章吉良,[M].上海:上海交通大學出版社,1999:7[8] 技術研究及應用[J].現代雷達,2004,12:26~29[9] [J].傳感器技術,1995:5~17[10] [M].北京:機械工業出版社,1989:41~49[11] [J].東南大學學報, 2000，30(6):3[12] H. Riedel, R. Kolbeck, G. Muck. Capacitive Silicon Accelerometer with Highly Symmetreical Design[J]. Sensors amp。 展望本文完成了LC諧振式加速度傳感器的設計，但是由于時間和實驗條件的限制，本文只是在理論上提出該傳感器的結構模型及其制作方法，未能實現該傳感器成品的制作。本文所進行的主要研究工作及結論包括以下幾個方面： 為了降低加速度傳感器的橫向靈敏度，應該使懸臂梁厚度遠遠小于其寬度，而且應使質量塊的中心與懸臂梁的中性面重合。可見為了提高諧振頻率，可以增加管殼剛度或者減輕管殼質量，反映到材料的特性上，即選擇楊氏模量大，密度小的管殼材料。因為封裝膠很薄，質量可以忽略不計，因此封裝膠質量塊結構可以等效為彈簧質量塊系統，可以得到安裝固有頻率:式中，A―封裝膠與傳感器的接觸的面；E―封裝膠的楊氏模量；M―加速度傳感器的質量；t―封裝膠的厚度。　封裝中需要注意的問題1. 封裝膠和封裝膠厚度的選擇封裝時，一般選用封裝膠將芯片粘貼在基板上。MEMS 真空封裝按材料來分有金屬封裝和陶瓷封裝兩種。（17）最后進行 V 型槽腐蝕、金屬化、劃片等后續工藝處理。將玻璃做標準清洗后烘干一個小時后雙面涂膠，并在玻璃上與動極板電極對稱的位置上光刻電極圖形。（10）雙面光刻去除硅片兩面的掩膜。（7）對形成掩膜后的硅片兩面進行各向異性腐蝕，每一面腐蝕的深度為25μm，這時質量塊、梁和其之外的區域形成臺階。（3）雙面對準光刻形成臺階掩膜圖形并劃片標記。4．2　LC諧振式振動傳感器工藝流程加速度傳感器是基于 MEMS 技術的，它符合 MEMS 的標準工藝[21]。它不同于任何粘結劑粘合，鍵合界面有良好的氣密性和長期穩定性。理想的腐蝕要求垂直腐蝕（各向異性腐蝕）、有高的選擇比（只對薄膜腐蝕，對襯底不腐蝕或極小腐蝕）和腐蝕指標可控性。用濺射法制造的薄膜均勻性好，可以覆蓋有臺階的表面，內應力小，現已在很大程度取代了蒸發鍍膜。基片加熱溫度高于300℃。　薄膜淀積(1) 氧化 在硅表面形成的二氧化硅能緊緊地依附在硅襯底上，而且具有極穩定的化學性和電絕緣性。若經過光照后變得容易被顯影劑溶解的稱為正性光刻膠。光刻質量的好壞直接影響半導體器件的性能和成品率。利用 ANSYS 軟件中有限元模態分析的方法能夠計算出該結構的諧振頻率和模態振型。這里通過顯示等效應（VonMises stress）等直線判斷各個參數對結構的影響，分析結構各部位的應力分布情況，如圖 所示。　傳感器的有限元建模與分析本章采用有限元軟件 ANSYS 對差分電容式微加速度傳感器的力學特性進行分析。由式（）可知，支撐梁厚度并不是影響靈敏度的主要因素，因此在對梁結構尺寸有要求的場合下，可以適當改變梁寬度，而不至于對靈敏度有太大的影響。對于矩形截面的梁有： Iy=Wh13/12 ()其中W －梁的寬度； H －梁中間挖空的寬度。 　懸臂梁結構設計本文中的傳感器設計變量為：梁的長度（l），梁的寬度（W），梁的厚度（h1），質量塊的寬度（B），質量塊的長度（L），質量塊的厚度（h2）。如果δ1減少△δ1，則電容 C 將會有相應的增量△C,因此電容值變為 C+ΔC=ε0A(δ1Δδ1)+δ2ε2 ()電容的相對變化為 ΔCC=Δδ1δ1+δ2N11NΔδ1δ1+δ2=Δδ1δ1+δ2N11A ()其中N=1+δ2δ11+δ2δ1ε2 ()當A1時，可以分解為 ΔCC=Δδ1δ1+δ2N[1+N1Δδ1δ1+δ2+N1Δδ1δ1+δ22+…] ()高次項對數據結果影響很小，如果忽略公式中的高次項，可以簡化為 ΔCC=Δδ1δ1+δ2N ()由式（）可以看出，N 是影響靈敏度和線性的一個系數。 平面螺旋電感為了研究最佳的電感結構以及確定傳感器的諧振點，需要精確地計算出電感線圈的感抗，常用到的比較準確的計算方法是 Gleason 方程，對于平面環形螺旋電感來說電感系數 L 可以用下式估算為 L=[ln8AC+124CA2ln8AC+] ()其中 A=（線圈外徑+線圈內徑）/4，單位是μm，C=（線圈外徑線圈內徑）/2，N是線圈的匝數。而從傳統的工程應用來看，SiC材料常用作高溫環境下的軸承材料，在其升華之前的溫度下都具有非常好的機械性能。敏感質量越大，彈性剛度越小，標稱電容越大，極距越小，則其靈敏度也就越高。但當x?d0,略去高階小項，可得 ?C=2C0xd0 ()由式可認為在x很小時， ΔC 與x是線性的。 間距改變電容圖 。而且四懸臂梁結構在質量產生位移時，基本上只有四個梁產生彎曲變形，質量塊基本上保持不變，從而消除了電容動極板各點位移量不同所引起的輸出非線性問題。中間部分為單晶硅制作的傳感器芯片，上下夾層為Pyrex 玻璃，并在真空條件下使用陽極鍵合技術將其封裝在一起[1113]。差動測量的兩個電容，由于在相同的環境下受到的外界干擾躁聲基本一樣，所以可以通過相減消除或抑制共模的環境變化因素影響，把絕大部分干擾躁聲排除掉，可以大幅提高信躁比，所以電容式微機械加速度計廣泛采用差動電容結構[10]。一般首先把加速度信號轉化為位移信號，但由于輸出位移太小，需要轉換為電容變化信號，再把電容變化信號放大濾波并進行同步解調轉化為直流電壓輸出，這種通過電信號間接測量加速度信號的方法，既避免了直接獲取加速度信號的困難，又有利于通過電信號實現加速度的高精度測量。當慣性力F與彈簧力Fk 相等時，將質量塊拉回并達到平衡位置，系統恢復到平衡狀態。依據動力學原理，微機械加速度傳感器經典力學模型可等效為圖 所示的質量彈簧阻尼器力學系統。干路電流為I=UZ=UR+j(ωL1ωC) 　　()當達到諧振點，電路的電流最大，因此發射的電磁波功率最大，從而可以實現遠距離的信號無線傳輸。如圖 所示。 傳感器耦合信號傳輸原理 I1=UsZ11+XM2Z22=UsZ11+Zfs ()本設計中主要考慮的是L2對L1的反作用，即傳感器電路在靠近L1線圈時會對初級回路產生什么影響，以及如何測量這一變化。需要注意的是載波信號需要使用高頻信號，而調制信號必須是相對的低頻，這樣才能保證傳輸信號的準確性。由于振蕩器主要是受電容器的電容調制影響，實現了電容到頻率的轉換，因此稱之為調頻電路。諧振回路的阻抗發生相應變化，并被轉換成電壓或電流輸出，經過放大、檢波即可得到輸出。 涂有環氧介質的極距變化型電容傳感器電容傳感器的常用檢測電路有交流電橋電路、運算放大式電路、調頻電路、脈沖寬度調制電路等，下面就幾種對本設計有重要參考意義的兩種電路進行介紹。該傳感器采用LC耦合