电容式加速度传感器机电耦合分析(2)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】4)根据第3)步得到的结果,在电容稳定后进行极板加速度加载,进行加载情况下的耦合仿真,分析电容电流的变化。 4 模拟结果与分析 传感器受外加速度
4)根据第3)步得到的结果,在电容稳定后进行极板加速度加载,进行加载情况下的耦合仿真,分析电容电流的变化。
4 模拟结果与分析
传感器受外加速度作用时,由于摆片类似一个弹簧片,极板只能近似扇形摆动,固体力学有限元仿真得到的上极板位移情况见图4。通过未加载荷场路仿真,得到的电容充电电流曲线如图5所示。
图4 电容上极板在外加速度作用下位移
图5 未加载荷时电容充电电流曲线
图4清楚地显示了电容上极板在加速度载荷下摆动的情况,在左边固定条件下只能围绕固定位置上下摆动,幅度与距离固定位置远近相关。电容在未受外加速度时,其充电电流在0.002 s内完成。为了研究载荷电流,去除电容充电的影响,加速度的加载时间从0.001 s开始。当有80 g加速度载荷时,电容上极板参考点的位移和相应电容电流随时间变化如图6所示。
图6 80 g加速度时参考点最大位移和电容电流随时间变化
从图6可知,电容传感器在加速度载荷作用过程中,其电流基本上维持在一个稳定值,此模型80 g载荷时电容终端电流在0.1μA左右。
当加速度方向相反时,模拟分析方法相同。前面模拟了加速度向下,引起电容极板间距变小从而电容量增大,电容中电流由负极向正极流动。在反向加速度作用时,电容量减小,电容中电流由正极向负极流动。对于线性弹性材料,加速度相同时,作用方向相反对于可动极板的运动是对称的。假设在一定加速度下引起极板平均间距为Δd,初始电容值为C0,极板间距为d0,按照标准平板电容计算公式,方向相反的两种加速度引起电容的变化量分别是
式(7)是加速度引起极板间距减小的情况,式(8)是极板间距增加的情况。从以上公式可知,加速度引起极板间距减小产生的电容电流比其引起间距增加的电流大。但是电流的方向相反,可以通过前述的电容电流方向来判断。
由式(7)、(8),可以得到电容增加和减小加速度引起电容平均电流的比例k为:
从式(9)可以看出,加速度越大,方向相反则引起的电流值相差越大。
5 结论
电容式加速度传感器作为最为常用的设计,需要强有力的辅助研究手段。数值模拟作为成本相对低廉的研究方法,在传感器研制中还有进一步发展的强烈需求。本研究通过建立一个机构简单的电容式加速度传感器模型,采用有限元结合电路耦合仿真,对其基本工作过程进行了模拟。深入揭示了电容式传感器表征电流与所受加速度的关系,从机械固体力学到电子学电路耦合仿真进行了尝试。
研究结果表明,电容式加速度传感器在工作过程中机械位移与电容电流变化是密切相关的,需要将二者同时考虑,才能真实再现其复杂的物理过程,克服单独进行机械力学仿真或电学仿真的不足。由于电容式传感器结构的特点,其表示的传感器所受加速度作用大小与其电流并非简单的线性关系,还与加速度方向紧密相关。进一步将电磁、机械和电路等诸多因素综合考虑,进行同时耦合仿真,将为改进电容式加速度传感器设计,促进其性能指标提升起到积极的作用。
[1]Jiro erada,Yusuke Veha,Yasutomo ?structuin of three-axis acceleration sensor using a cross-coupled vibrator[J].Japanese Journal of Ap?plied Physics, 2016, 55 (7S1):
[2]Sricharan k,Srinivasa human fall de?tection system using a fluid dielectric,capacitive,multi-axial acceleration sensor[C]//Proceed-ings of 3rd international conference on instrumentation,ontrol and automation,2013:74-79.
[3]Wu Zhou,Wei Su and Xiao-Ping He,et al.Appli?cation of parallel capacitor for force transferring in resonant micro accelerometer[C]//Proceedings of the 5rd IEEE International Conference on Nano/Mi?cro Engineered and Molecular Systems,2010,35(21):479-482.
[4]ZHAO Meng-chen,ZHANG Jian,WENG Gao,et al.A high voltage close-loop SC interface for±50g capacitive micro-accelerometer with 112.4 dB dynamic range[J].IEEE Transactions on circuits and systems:Regular Papers,2017,64(6):1328-1341.
[5]吝海锋,杨拥军,郑锋.电容式加速度传感器结构的计算机仿真[J].微纳电子技术,2002(6):32-35.
[6]吴英,江永清,温志渝,等.硅微电容式加速度传感器结构设计[J].半导体光电,1999,20(4):237-240.
[7]郑志霞,冯勇建.电容式加速度微传感器[J].莆田学院学报,2004,11(3):60-63.
[8]温淑慧.一种电容式加速度传感器设计的研究[J].传感技术学报,2005,18(2):229-357.
文章来源:《固体力学学报》 网址: http://www.gtlxxbzz.cn/qikandaodu/2020/1109/343.html