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可變電容加速度傳感器的原理及核心結(jié)構(gòu)組成
可變電容加速度傳感器均采用硅基MEMS微加工工藝制備，整體尺寸可達(dá)毫米甚至微米級(jí)，核心結(jié)構(gòu)由機(jī)械傳感單元與信號(hào)處理單元兩部分組成，結(jié)構(gòu)精密且集成度高。
1. 機(jī)械傳感核心單元
該單元是感知運(yùn)動(dòng)的核心機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要由慣性質(zhì)量塊、彈性支撐梁、固定電極基座構(gòu)成，整體通過(guò)單晶硅微刻成型。慣性質(zhì)量塊為可活動(dòng)核心部件，依靠折疊彈性梁懸掛在固定框架上，無(wú)外力時(shí)保持穩(wěn)定平衡；彈性梁具備高彈性、低蠕變特性，可在加速度作用下帶動(dòng)質(zhì)量塊產(chǎn)生微量位移，外力消失后快速?gòu)?fù)位，保障重復(fù)測(cè)量精度；固定電極對(duì)稱分布在質(zhì)量塊兩側(cè)或上下，與可移動(dòng)質(zhì)量塊共同組成差動(dòng)電容對(duì)，避免單電容檢測(cè)的誤差干擾。
2. 信號(hào)處理電路單元
由于MEMS結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電容變化量微弱(通常僅數(shù)十至數(shù)百飛法級(jí))，必須搭配專用集成芯片完成信號(hào)轉(zhuǎn)換。該單元包含電容檢測(cè)模塊、放大模塊、濾波模塊與溫補(bǔ)模塊，可有效抑制環(huán)境噪聲、溫度漂移帶來(lái)的測(cè)量誤差，將微觀電容變化準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化電信號(hào)，同時(shí)保障傳感器的信噪比與動(dòng)態(tài)范圍。部分傳感器還集成穩(wěn)壓電路，適配復(fù)雜工況下的穩(wěn)定供電需求。
可變電容加速度傳感器，又稱變電容式加速度傳感器，核心工作原理基于平行板電容器極距變化效應(yīng)與慣性力學(xué)原理，通過(guò)機(jī)械位移與電學(xué)信號(hào)的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)加速度的量化檢測(cè)，整體檢測(cè)邏輯簡(jiǎn)潔且精度可控。
物理學(xué)中，平行板電容器的電容值與極板正對(duì)面積成正比，與極板間距成反比。可變電容加速度傳感器正是利用這一特性設(shè)計(jì)傳感結(jié)構(gòu)：傳感器內(nèi)部設(shè)置可移動(dòng)慣性質(zhì)量塊與固定電極，二者構(gòu)成差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)。在無(wú)加速度作用的靜止?fàn)顟B(tài)下，質(zhì)量塊處于平衡位置，上下或兩側(cè)極板間距均等，電容差值為零，傳感器無(wú)輸出信號(hào)。
當(dāng)被測(cè)物體產(chǎn)生加速、減速或傾斜運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性作用會(huì)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊發(fā)生微小位移，打破原有平衡狀態(tài)。此時(shí)質(zhì)量塊與一側(cè)固定電極的間距縮小，電容值增大，與另一側(cè)電極的間距增大，電容值減小，形成差動(dòng)電容變化量。這一電容變化量與外界施加的加速度大小呈線性正相關(guān)，傳感器內(nèi)置的專用ASIC信號(hào)處理電路會(huì)實(shí)時(shí)捕捉微弱的電容波動(dòng)，通過(guò)開(kāi)關(guān)電容放大器完成信號(hào)放大、解調(diào)、濾波，轉(zhuǎn)化為線性對(duì)應(yīng)的電壓或數(shù)字信號(hào)，準(zhǔn)確還原加速度數(shù)值與方向。
相較于壓電式傳感器僅能檢測(cè)動(dòng)態(tài)振動(dòng)加速度，可變電容傳感方案大的優(yōu)勢(shì)是支持直流靜態(tài)檢測(cè)，可準(zhǔn)確感知恒定加速度、緩慢位移與傾角變化，適配靜態(tài)姿態(tài)測(cè)量、低頻振動(dòng)監(jiān)測(cè)等特殊場(chǎng)景。
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