压电式 vs MEMS电容式加速度传感器

2024-12-18
关注


近年来,随着电子技术的迅猛发展,振动参量的电测法越来越显得优越,它与其它方法相比,具有频率范围宽、动态范围大、灵敏度高以及电信号便于传输、变换、处理与保存等一系列优点,进而得到广泛的应用。 在振动测量中能把被测机械量转换成便于传递、变换、处理和保存的信号,并且又不受观测者直接影响的测量装置称为振动传感器,又称加速度传感器。目前市面上常见的加速度传感器有两类,压电式和电容式,本文从两类传感器的工作原理、应用表现及发展趋势等几个方面进行阐释和对比。

1. 工作原理

首先,两类不同模式的加速度计传感器的数学和物理模型类似,都是通过测量二阶系统中质量块的位移来测量加速度,两者的差别在于测量这个质量块位移的方法。压电式加速度计通过质量块的位移造成的压电元件的电荷变化进行测量,电容式加速度计通过质量块的位移造成的电容变化进行测量。

1)压电式加速度传感器

压电式加速度传感器基于压电晶体的压电效应工作,某些晶体在一定方向上受力变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷;当外力去除后,又重新恢复到不带电状态,这种现象称为“压电效应”,具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。也正是由于这个原因,压电加速度传感器不能用于测量静态事件。


2)电容式加速度传感器

MEMS电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器,其中一个电极是固定的,另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在受到外力作用下发生位移,使电容量发生变化,可以测量载体振动的速度和加速度。


2. 应用表现

1)压电式加速度传感器

压电式加速度传感器按信号输出类型又分为电荷和电压输出型两种。

a. 电荷输出型加速度传感器采用锆钛酸盐陶瓷,具有很宽的工作温度范围,宽的动态量程,宽的频率范围(可用频率>10kHz)。由于压电陶瓷的工作温度范围很宽,有些可以用于-200°C到+400°C,甚至更宽温度的环境。

b. 电压输出型加速度传感器输出电压信号,除了压电陶瓷元件,电压输出型加速度传感器包含一个微型电路,电路的工作温度范围限制了传感器的整体工作温度范围,通常不超过125°C,也有一些设计提高到了175°C,但其在其它性能方面会有所下降。

2)电容式加速度传感器

MEMS电容式加速度传感器与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应(低频可测到0Hz)、环境适应性好等特点,尤其是受温度的影响比较小。MEMS电容式加速度传感器在某些领域无可替代,如汽车安全气囊,手机、Pad、智能穿戴等移动设备。

3. 发展趋势

1)压电式加速度传感器

从上世纪六七十年代发展到现在已经非常成熟,具有频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等优点,但其也有测量盲区的致命缺点(无法测量0~20Hz的低频域),同时体积较大也制约了应用场景和范围。

2)电容式加速度传感器


MEMS电容式加速度传感器在当今是最通用的,随着MEMS技术的进一步发展,其微米量级的特征尺寸使MEMS传感器可以完成某些传统传感器所不能实现的功能。由于是晶圆级制造,具有一致性好、集成度高、功耗低、成本低,更易批量生产等特点,正在逐渐取代传统加速度传感器。



您觉得本篇内容如何
评分

评论

您需要登录才可以回复|注册

提交评论

广告

湖南天羿领航

自主可控高性能MEMS惯性传感器及系统提供商

关注

点击进入下一篇

矿井智能监控技术:引领安全守护新时代

提取码
复制提取码
点击跳转至百度网盘