微机电系统的基本工作原理分析

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1、第一章电容效应1.1工作原理分析电容传感器的工作原理是由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为d当被测参数变化使得S、4或£发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面积式和变介质式3种类型。（一）极距变化型极距变化型电容传感器变间隙式电容式传感器当传感器的Ft和S为常数，初始极距为刃时，初始电容量60为C。二心0

2、d°若电容器极板间距离由初始值旳缩小了Ad,电容量增大了则C。在式中，若A〃d）〈〈1时，则展成级数:此时C与A〃近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在△很小时，才有近似的线性关系。另外，在旳较小时，对于同样的A〃变化所引起的A。可以增大,从而使传感器灵敏度提高。(-)面积变化型面积变化式电容传感器在工作时的极距、介质等保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生改变。变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为动极板。动极板(a)平面线位移型(b)

3、圆柱线位移型(c)角位移型图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。。图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。图C是一个角位移式的结构。极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移&度时，两极板的遮盖面积/就减小，因而电容量也随之减小。当动极板有一角位移时，两极板的相对面积力也发生改变,导致两极板间的电容量发生变化当B=0时Co二严d当0丸吋CoJAo?_T=Co(1_?)有上述分析得知：面积变化型电容传感器的优

4、点是输出与输入呈线性关系，但与极距变化型相比，灵敏度较低(三)介质变化型介质变化型电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量的变化使其极板之间的介质情况发生变化。主要用来测量两极板之间的介质的某些参数的变化，如介质厚度、介质湿度、液位等。下图是改变介质介电常数的电容式传感器的原理图_bd___LmFWNNNMNNNNNNNNNN■■■■■—一一匚一C一一IU-一(b)圆柱式传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液面力成线性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位力。1.2应用与特点电容式传感

5、器就是利用两个极板之间的位移发生变化，感受被测的机械量，再将其转换成电容变化量的一种传感器。电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成分含量等方面的测量。与其他传感器相比，电容式传感器的优点：①功率小、阻抗高；②静电引力小、动态特性良好；③和电阻式传感器相比，电容式传感器本身发热影响小；④可进行非接触测量；⑤结构简单，适应性强，可以在温度变化比较大或具有各种辐射的恶劣环境中工作。电容式传感器的缺点：①输出具有非线性；②寄乞

6、电容的影响往往降低传感器的灵敏度。第二章压阻效应2.1工作原理分析压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。压阻效应的强弱可以用压阻系数n来表征。压阻系数n被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化。压阻效应有各向异性特征，沿不同的方向施加应力和沿不同方向通过电流，其电阻率变化会不相同。2.2应用压阻效应被用來制成各种压力、应力、应变、速度、加速度传感器，把力学量转换成电信号。例如：压阻加速度传感器是在其内腔的硅梁根部集成压阻桥（其布置与电桥相似），压阻

7、桥的一端固定在传感器基座上，另一端挂悬着质量块。当传感器装在被测物体上随之运动吋，传感器具有与被测件相同的加速度，质量块按牛顿定律（第二定律）产生力作用于硅梁上，形成应力，使电阻桥受应力作用而引起其电阻值变化。把输入与输出导线引岀传感器，可得到相应的电压输出值。该电压输出值表征了物体的加速度。压阻式传感器是压力式传感器的一种。压阻式压力传感器又称扩散硅压力传感器。结构如下图所示，压阻式压力传感器由于弹性元件与变换元件一体化，尺寸小，其固有频率很高，可以测频率范围很宽的脉动压力。压阻式压力传感器2

8、・3特点压阻式微传感器就是利用单晶硅材料的压阻效应职称的微传感器,其特点是：1）灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量。2）分辨率高：由于它是一种非机械结构传感器，因而分辨率极高。3）体积小、重量轻、频率响应高：由于芯体采用集成工艺，乂无传动部件，因此体积小，重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性系数，敏感元件的I古I有频率很高。在动态应用吋，动态精度高，使用频带宽，合理选择设计传感器外型，使用带宽可以从零频至100千赫兹。4）可测量低频加速度和直线加速度5）无活动部件，耐振动，耐腐蚀