厚膜電容式微位移傳感器的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、本文重點(diǎn)研究了變間隙式傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝、信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)及處理電路的設(shè)計(jì)以及厚膜電容傳感器在位移檢測(cè)過程中的非線性問題。 結(jié)合PZT驅(qū)動(dòng)的微納操作平臺(tái)總體要求，針對(duì)檢測(cè)壓電陶瓷管(PZT)的位移，我們?cè)O(shè)計(jì)了變間隙式電容傳感器結(jié)構(gòu)，采用厚膜傳感技術(shù)及絲網(wǎng)印刷、燒縮工藝技術(shù)研制新型厚膜電容式微位移傳感器。傳感器設(shè)計(jì)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(shí)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(qiáng)的附著力及在不同的溫度環(huán)境下，各材料有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)尺寸。在結(jié)構(gòu)上，設(shè)計(jì)環(huán)形補(bǔ)償電極結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償電極同測(cè)量電極具有相同的極板面積，同時(shí)感受溫度的變化，在后續(xù)信號(hào)處理中將測(cè)量電極和補(bǔ)償電極作為差分信號(hào)輸入，以消除溫度共模信號(hào)干擾。 論文設(shè)計(jì)了以電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7745和高性能微控制器芯片C8051F040為核心的測(cè)試系統(tǒng)，完成微納米位移信號(hào)的檢測(cè)。AD7745直接將微弱

3、的電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)而非電壓信號(hào)，避免了將有用電容信號(hào)同誤差電容信號(hào)一起轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，將非線性電容信號(hào)傳遞到電壓信號(hào)，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(cè)帶來了非線性，論文詳細(xì)分析了撓性形變產(chǎn)生的原因及給位移檢測(cè)帶來的誤差。傳感器膜片中心點(diǎn)受到PZT形變力使膜片上各點(diǎn)到基板電極的距離不再相等，論文采用小撓度形變計(jì)