浅论厚膜电容式微位移传感器的研究与设计

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1、中国科学技术大学硕士学位论文厚膜电容式微位移传感器的研究与设计姓名：张早春申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：马以武20080501摘要为深入研究微纳环境中物体的的受力及运动状态，实现纳米尺度下位移、力的检测，并建立相关理论方法，实现微纳米尺度操作过程的操作力与位置感知，为解决PZT驱动的微纳操作平台的实时可视化观测创造条件，本论文采用厚膜技术研制能够检测纳米级位移的新犁高精度厚膜电容微位移传感器。本文重点研究了变间隙式传感器的结构设计和制备上艺、信号测试系统及处理电路的设计以及厚膜电容传感器在位移检测过程，ft的非线性问题

2、。结合PZT驱动的微纳操作平台总体要求，针对检测压电陶瓷管(PZT)的位移，我们设计了变阗隙式电容传感器结构，采用厚膜传感技术及丝网印刷、烧结T艺技术研制新型厚膜电容式微位移传感器。传感器设计中选用低热胀系数的96％A1203陶瓷作为传感器的基板和弹性膜片，同时选用低温度系数及同基板和膜片热胀系数相近的电极浆料作为电容的电极，保汪电极同膜片和基板之间有较强的附着力及在不J列的温度环境下，各材料有稳定的结构尺寸。在结构上，设计环形补偿电极结构，补偿电极同测量电极具有相同的极板面积，同时感受温度的变化，在后续信号处理中将测量电极和补偿电极作为差分

3、信号输入，以消除温度共模信号干扰。论文设计了以电容数字转换芯片AD7745和高性能微控制器芯片C805IF040为核心的测试系统，完成微纳米位移信号的检测。AD7745直接将微弱的电容信号转换成数字信号而：IF电压信号，避免了将有用电容信号同误差电容信号一起转换成电压信号，将=

4、F线性电容信号传递到电压信号，使后续电路难以处理。AD7745芯片及一些外围电路集成在传感器陶瓷基板l二，以降低环境中的寄生电容和分布电容的干扰。传感器膜片产牛挠性形变给位移检测带来了非线性，论文详细分析了挠性形变产生的原因及给位移检测带来的误差。传感器膜片中心点受到

5、PZT形变力使膜片上各点到基板电极的距离不再相等，论文采用小挠度形变计算公式对电容值进行重新计算，避免了普通平行板电容计算公式带来的计算误差，有效提高了传感器的检测精度。研究结果表明：传感器芯片小挠度情况下菲线性误差小于l，77％，迟滞性小于O．70％，蠕变特性小于O．05％，温度漂移小于0．09％F．S／℃，在5“m量程内检测精度优于60nm。为传感器进一步深入研究刨造了条件。关键词：厚膜电容传感器微位移非线性ABSTRACTInordertoin—depthstudythef。rceandmotjonstateDftheobjectinm

6、icrD．nanoenVironment，toreaJizethemeasurementofforceanddisplacementinnano-scaJe，t0e始如lishfelatedtheoryandmethod，t0sens弓theforceandposmonandtocreateconditionforreaJtimeVisuaIiZingobserVationofPZT“VenpIatform，annoveJhighprIocjsionthick瓦lmcapacit；Vemicrodisplacefnentsensofhadbe

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