В состав всех акселерометров входит специальный элемент, называемый инерционной массой, движение которого отстает от движения корпуса. И независимо от конструкции датчика ускорений его основная цель заключается в детектировании перемещения этой массы относительно корпуса устройства и преобразовании его в пропорциональный электрический сигнал. Поэтому другой составной частью всех акселерометров является детектор перемещений, способный измерять микроскопические амплитуды вибрационных колебаний или линейных ускорений. Емкостной метод преобразования перемещений в электрический сигнал является самым проверенным и надежным. Емкостной датчик
ускорений состоит, по крайней мере, из двух пластин: стационарной, часто соединенной с корпусом, и свободно перемещающейся внутри корпуса, к которой подсоединена инерционная масса. Эти пластины формируют конденсатор, величина емкости которого зависит от расстояния d между ними (см. уравнение (3.23) главы 3), а значит и от ускорения движения, испытываемого датчиком. Максимальное перемещение, определяемое емкостным акселерометром, редко превышает 20 мкм. Следовательно, в таких датчиках всегда необходимо компенсировать дрейф различных параметров, а также подавлять всевозможные помехи. Поэтому обычно акселерометры имеют дифференциальную структуру, для чего в их состав вводится дополнительный конденсатор, емкость которого должна быть близка к емкости основного конденсатора. При этом напряжения на конденсаторы подаются со сдвигом фаз 180°. Тогда величина ускорения датчика будет пропорциональна разности значений емкостей конденсаторов.
Si
верхняя крышка
основание
кремниевые пружины
(А)
(Б)
Рис. 8.3. Емкостной акселерометр с дифференциальным конденсатором: А — поперечное сечение акселерометра, Б — вид сверху на инерционную массу, поддерживаемую четырьмя кремниевыми пружинами
Рис. 8.4. Схема преобразователя емкость-напряжение, реализуемая на одной кремниевой подложке с датчиком
На рис. 8.ЗА показано поперечное сечение емкостного дифференциального акселерометра, в котором инерционная масса расположена между верхней крышкой и основанием [2]. Масса поддерживается четырьмя кремниевыми пружинами (рис. 8.3Б). Верхняя крышка и основание отделены от массы расстояниями d1 и d2Все три элемента изготовлены методами микротехнологий на одной кремниевой подложке. На рис. 8.4 показана упрощенная схема преобразователя емкость-напряжение, аналогичная схеме на рис. 5.52 главы 5.
Площадь пластины конденсатора Стс, образованного массой и верхним электродом, равна S1, а площадь пластины второго конденсатора СтЬ, образованного массой и основанием — S2, При движении массы по направлению к верхнему электроду расстояние d, уменьшается на А, а расстояние d2увеличивается на ту же самую величину. Значение Dравно механической силе Fm, действующей на массу, деленной на коэффициент упругости к кремниевой пружины:
(8.9)
Строго говоря, эквивалентная схема акселерометра справедлива только тогда, когда на положение массы не влияют электростатические силы (т.е. когда емкость конденсаторов линейно зависит от Fm) [3]. Акселерометр стоит на входе управляемого суммирующего усилителя, выходное напряжение которого зависит от значений конденсаторов и, следовательно, от силы:
(8.10)
Уравнение (8.10) справедливо только при малых изменениях емкостей датчика. Выходной сигнал акселерометра также зависит от температуры и рассогласования значений конденсаторов. Рекомендуется проводить калибровку таких датчиков во всем температурном диапазоне и осуществлять соответствующую коррекцию выходного сигнала во время измерений. Другой эффективный способ повышения стабильности устройства — разработка системы самокалибровки, позволяющей компенсировать влияние электростатических сил, возникающих, когда либо на верхнюю крышку, либо на основание подается высокое напряжение.