CN202512136U - 一种电容式加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种测量加速度的装置，具体涉及一种电容式加速度传感器，其结构由四根悬臂梁支撑的质量块和框架组成。框架主要起到支撑、保护的作用，质量块、悬臂梁组成了加速度传感器的敏感结构。本实用新型的特点是在中心质量块上开一些阵列排布的形状各异的阻尼孔，从而降低空气的压膜阻尼，以此来改善加速度传感器的动态频率特性，同时也可以衰减一些杂散的自由振动，降低系统噪音，提高测量精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种测量加速度的装置，具体涉及一种电容式加速度传感器 。
背景技术
目前，公众所知的电容式加速度传感器是由一个静电极、动电极、一个电容测量电路组成，静电极和动电极相对隔离设置，形成一个电容。动电极相对静电极发生位移时，两极板的正对面积发生变化，产生不同的电容值。如公式：C=εS/D，S代表两级板的相对面积，D代表两级板的距离。
加速度传感器因具有体积小、质量轻、方便灵活等特点在武器制导、飞行器控制、汽车防抱死系统等领域有着广泛的用途。加速度传感器的类型主要有压阻式、压电式、谐振式、隧道电流式和电容式，其中，电容式微加速度传感器自问世以来就以结构简单、输出稳定、温度漂移小、灵敏度高、动态特性好、抗过载能力大，体积小、重量轻、易于与测试、控制电路集成，有利于大规模批量生产等优点而受到越来越广泛的关注。
电容式微加速度传感器一般采用悬臂梁-质量块结构。悬臂梁支撑着一个作为电容极板的质量块，质量块与固定极板构成一个平板电容。加速度作用在质量块上，在固定端会产生一个力，该作用力使质量块发生位移，导致两个电容极板间距发生变化，使电容大小改变，通过检测电容的变化量，就可以得到输入加速度的大小。阻尼对加速度传感器性能的影响有两方面：一是热机械噪声，阻尼系数越大，热机械噪声越大；二是加速度传感器的带宽，要保证加速度传感器有一定的开环带宽则传感器就要工作在临界阻尼的状态。
当中间可动电极与固定极板之间有相对运动时，中间的空气膜受到挤压，一边内部气压增加，空气从间隙中流出，另一边内部气压减小，空气从外部流入极板间隙中。在这种情况下，气压的累积与释放对质量块的运动都起阻碍作用。极板运动的一部分能量由于空气的粘滞流动而消耗，此时的空气阻尼称为压膜阻尼。降低压膜阻尼的方法很多，可以通过在振子上开孔的方法来降低压膜阻尼。或者为了得到更高的灵敏度和分辨率，对器件采用低真空或真空封装的方法，该种方法使器件的品质因子得到极大提高，但是，即使在真空封装情况下，系统的能量消耗也是由于周围的空气引起的。此外，低真空装置或真空封装的设备制造复杂、成本高。不利于批量的产业化生产。
阻尼孔的设计是电容式加速度传感器设计的重要环节，其决定了加速度传感器的动态性能。因此，有必要对阻尼孔进行进一步深入的研究来满足应用的需求。
发明内容
为改善加速度传感器的动态频率特性，使得在电容式加速度传感器设计中高精度的测量加速度成为可能，本实用新型提供一种改进的加速度传感器的结构。
本实用新型解决上述问题采用的技术方案是：一种电容式加速度传感器，包括一对固定电极和中间可动电极，中间可动电极包括起到支撑、保护作用的框架，所述可动电极包括质量块和中心对称的L型四个悬臂梁结构，其特征在于：中间可动电极的质量块上开有阵列排布的形状各异的阻尼孔。
进一步的，所述中间可动电极的质量块上阻尼孔呈圆形。
进一步的，所述中间可动电极的质量块上阻尼孔呈八边形。
进一步的，所述中间可动电极的质量块上阻尼孔呈等边三角形。
进一步的，所述中间可动电极的质量块上阻尼孔的排布呈正方形。
进一步的，所述中间可动电极的质量块上阻尼孔的排布呈环形。
本实用新型具有以下优点：本实用新型改进的加速度传感器，在中间可动电极的质量块上开一些阵列排布的形状各异的阻尼孔，改善了加速度传感器的频率特性，同时也衰减一些杂散的自由振动，提高了测量精度。
附图说明
图 1 表示本实用新型改进的电容式加速度传感器的立体图；
图 2 表示本实用新型改进的电容式加速度传感器中间可动电极的平面图；
图 3 表示本实用新型改进的电容式加速度传感器质量块上阻尼孔的形状；
图 4 表示本实用新型改进的电容式加速度传感器质量块上阻尼孔的可选阻尼孔形状；
图 5表示本实用新型改进的电容式加速度传感器质量块上阻尼孔的第二可选阻尼孔形状；
图 6 表示本实用新型改进的电容式加速度传感器质量块上阻尼孔的分布图。
图 7是本实用新型工作原理示意图。
图中1. 下层电极极板，2. 质量块，3. 悬臂梁，4. 阻尼孔，5. 上层电极极板，6. 中间可动电极极板，7. 框架。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型改进的电容式加速度传感器作详细说明。
请参阅图1 到图5所示，一种改进的电容式加速度传感器可检测Z方向的加速度。
图1 是本实用新型改进的电容式加速度传感器的立体图，它包括一对固定电极1、5和中间可动电极6，中间可动电极包括起到支撑、保护作用的框架7，质量块2和中心对称的L型四悬臂梁结构3。该电容式加速度传感器采用的是悬臂梁结构3，悬臂梁3支撑一个当作可动电容极板的质量块2，质量块2与一对固定极板1、5构成了差分平板电容。当给定一个加速度作用在质量块2上时，根据牛顿第二定律，质量块2上会产生一个力，这个作用力使质量块2发生位移，导致上下两个固定极板1、5与中间可动极板之间间距发生变化，使电容大小改变，通过检测电容的变化量，就可以得到输入加速度的情况。
图 2是本实用新型改进的电容式加速度传感器中间可动电极的平面图，质量块2以及质量块上的阻尼孔4、中心对称的L型四悬臂梁结构3构成了平板电容的可动极板。
图 3是本实用新型改进的电容式加速度传感器质量块上阻尼孔的形状。在该结构中，阻尼孔是圆形的。多个阻尼孔阵列排布在质量块上。
图 4 是本实用新型改进的电容式加速度传感器质量块上阻尼孔的可选阻尼孔形状。在该结构中，阻尼孔是八边形的。
图 5 是本实用新型改进的电容式加速度传感器质量块上阻尼孔的第二可选阻尼孔形状。在该结构中，阻尼孔是等边三角形的。
图 6是本实用新型改进的电容式加速度传感器质量块上阻尼孔的分布图。在该结构中，多个阻尼孔环形分布在质量块的边缘。
图 7是本实用新型工作原理示意图。A为电极板。
本实用新型的原理是，当没有加速度时，中间的可动极板6处于上、下极板1、5的中间位置C1＝C2，△C＝0；当有加速度时，中间可动极板6（质量块2）将偏离中间位置，此时，可动极板6的运动会挤压上、下极板1、5之间的气体，产生微小位移，传感器的固定部分也将有微小的位移。利用本实用新型改进的加速度传感器，腔内的气体可以通过质量块上阵列排布的阻尼孔中出去，减小了腔室内的气压，从而减小的加速度传感器的压膜阻尼。设加速度为正时，质量块2与上顶板5距离减小，与下底板1距离增大，于是C1＞C2，因此会产生一个电容的变化量△C，△C由放大电路部分放大，同时，将放大电路的输出电流引入到反馈网络。
本实用新型通过在中心质量块上开一些阵列排布的形状各异的阻尼孔，从而降低空气的压膜阻尼，以此来改善加速度传感器的动态频率特性，同时也可以衰减一些杂散的自由振动，降低系统噪音，提高测量精度。
Claims (6)
1.一种电容式加速度传感器，包括一对固定电极和中间可动电极，中间可动电极包括起到支撑、保护作用的框架，所述可动电极包括质量块和中心对称的L型四个悬臂梁结构，其特征在于：中间可动电极的质量块上开一些阵列排布的形状各异的阻尼孔。
2.根据权利要求1所述的电容式加速度传感器，其特征在于：所述中间可动电极的质量块上阻尼孔呈圆形。
3.根据权利要求1所述的电容式加速度传感器，其特征在于：所述中间可动电极的质量块上阻尼孔呈八边形。
4.根据权利要求1所述的电容式加速度传感器，其特征在于：所述中间可动电极的质量块上阻尼孔呈等边三角形。
5.根据权利要求1所述的电容式加速度传感器，其特征在于：所述中间可动电极的质量块上阻尼孔的排布呈正方形。
6.根据权利要求1所述的电容式加速度传感器，其特征在于：所述中间可动电极的质量块上阻尼孔的排布呈环形。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106199071A (zh) * | 2016-06-27 | 2016-12-07 | 中北大学 | 一种抗高过载低量程电容式加速度传感器及其制造方法 |
| CN108490217A (zh) * | 2018-03-26 | 2018-09-04 | 温州大学 | 接触模式微加速度计 |
| CN109245602A (zh) * | 2018-10-12 | 2019-01-18 | 东南大学 | 一种低挤压膜阻尼微谐振器 |
| CN111750905A (zh) * | 2019-03-29 | 2020-10-09 | 财团法人工业技术研究院 | 可调整感应电容值的微机电感测装置 |
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2012
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