厚膜電容式微位移傳感器的研究與設計.pdf

1、本文重點研究了變間隙式傳感器的結構設計和制備工藝、信號測試系統(tǒng)及處理電路的設計以及厚膜電容傳感器在位移檢測過程中的非線性問題。 結合PZT驅動的微納操作平臺總體要求，針對檢測壓電陶瓷管(PZT)的位移，我們設計了變間隙式電容傳感器結構，采用厚膜傳感技術及絲網(wǎng)印刷、燒縮工藝技術研制新型厚膜電容式微位移傳感器。傳感器設計中選用低熱脹系數(shù)的96％Al<,2>O<,3>陶瓷作為傳感器的基板和彈性膜片，同時選用低溫度系數(shù)及同基板和膜片熱脹

2、系數(shù)相近的電極漿料作為電容的電極，保證電極同膜片和基板之間有較強的附著力及在不同的溫度環(huán)境下，各材料有穩(wěn)定的結構尺寸。在結構上，設計環(huán)形補償電極結構，補償電極同測量電極具有相同的極板面積，同時感受溫度的變化，在后續(xù)信號處理中將測量電極和補償電極作為差分信號輸入，以消除溫度共模信號干擾。 論文設計了以電容數(shù)字轉換芯片AD7745和高性能微控制器芯片C8051F040為核心的測試系統(tǒng)，完成微納米位移信號的檢測。AD7745直接將微弱

3、的電容信號轉換成數(shù)字信號而非電壓信號，避免了將有用電容信號同誤差電容信號一起轉換成電壓信號，將非線性電容信號傳遞到電壓信號，使后續(xù)電路難以處理。AD7745芯片及一些外圍電路集成在傳感器陶瓷基板上，以降低環(huán)境中的寄生電容和分布電容的干擾。 傳感器膜片產(chǎn)生撓性形變給位移檢測帶來了非線性，論文詳細分析了撓性形變產(chǎn)生的原因及給位移檢測帶來的誤差。傳感器膜片中心點受到PZT形變力使膜片上各點到基板電極的距離不再相等，論文采用小撓度形變計