第一篇：大三暑期傳感器原理實習報告-應變式加速度傳感器設計
文章標題：大三暑期傳感器原理實習報告-應變式加速度傳感器設計
應變式加速度傳感器設計
——大三暑期傳感器原理實習報告
(西南交大機械製造及自動化張其美19990780)
1、設計任務及技術指標
應變式加速度傳感器的結構設計、特性曲線繪製等。
測量範圍：20g；精度：1；尺寸：不大於；頻響：0.1~100hz；重量：不大於20g；共橋電壓：5v~24v（dc）。
2、結構設計
（1）採用等強度樑結構；
（2）材料選擇及尺寸確定；
a、殼體及質量塊選用碳鋼
彈性模量：（與疲勞破壞有關）
泊松比：
b、彈性元件（樑）選用鈹青銅（或硅樑）
彈性模量：
密度：
抗拉強度：
c、許用應力：（簡單樑）取
（3）設計計算；
設計原則：
a、在最小載荷f和相應的最大繞度或位移為已知時，可先根據結構要求確定長度，然後在計算和。
b、設計時先保證有足夠的靈敏度，然後在儘可能提高（固有頻率）
c、質量塊相對於基座的位移可按下列原則確定：
當時，，其中a為被測加速度。
設計步驟：
a、先估計，忽略，確定。
取，則
b、估計和
取
c、確定
d、求
則，
e、計算參數；
取，
1、樑根部應變：
3、靜態靈敏度：（與應變片佈置有關）雙臂工作時，
4、動態靈敏度：
5、樑自由端的靜繞度：
6、樑自由端的動繞度：
7、傳感器的固有頻率：
8、可測最大加速度：
（4）幅頻特性計算：要求繪製幅頻曲線
a、剛度：
b、質量；
c、阻尼比：，取0.6~0.7內。
d、有阻尼固有頻率：
e、幅頻曲線：
f、相頻曲線：
（五）應變片的選擇：
1、應變片的選擇：選用小型硅應變片，參考規格：額定電阻：120；
靈敏度係數：；尺寸：；
最大工作電流：。
2、電橋輸出靈敏度：（1）電橋的結構；等臂、差動。
a、單臂：
b、雙臂差動：
c、四臂差動：：
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第二篇：大三暑期傳感器原理實習報告
大三暑期傳感器原理實習報告
應變式加速度傳感器設計
——大三暑期傳感器原理實習報告
(西南交大機械製造及自動化張其美19990780)
1、設計任務及技術指標
應變式加速度傳感器的結構設計、特性曲線繪製等。
測量範圍：20g；精度：1；尺寸：原創：不大於；頻響：0.1~100hz；重量：不大於20g；共橋電壓：5v~24v（dc）。
2、結構設計
（1）採用等強度樑結構；
（2）材料選擇及尺寸確定；
a、殼體及質量塊選用碳鋼
彈性模量：（與疲勞破壞有關）
泊松比：
b、彈性元件（樑）選用鈹青銅（或硅樑）
彈性模量：
密度：
抗拉強度：
c、許用應力：（簡單樑）取
（3）設計計算；
設計原則：
a、在最小載荷f和相應的最大繞度或位移為已知時，可先根據結構要求確定長度，然後在計算和。
b、設計時先保證有足夠的靈敏度，然後在儘可能提高（固有頻率）
c、質量塊相對於基座的位移可按下列原則確定：
當時，，其中a為被測加速度。
設計步驟：
a、先估計，忽略，確定。
取，則
b、估計和
取
c、確定
d、求
則，
e、計算參數；
取，
1、樑根部應變：
3、靜態靈敏度：（與應變片佈置有關）雙臂工作時，
4、動態靈敏度：
5、樑自由端的靜繞度：
6、樑自由端的動繞度：
7、傳感器的固有頻率：
8、可測最大加速度：
（4）幅頻特性計算：要求繪製幅頻曲線
a、剛度：
b、質量；
c、阻尼比：，取0.6~0.7內。
d、有阻尼固有頻率：
e、幅頻曲線：
f、相頻曲線：
（五）應變片的選擇：
1、應變片的選擇：選用小型硅應變片，參考規格：額定電阻：120；
靈敏度係數：；尺寸：；
最大工作電流：。
2、電橋輸出靈敏度：（1）電橋的結構；等臂、差動。
a、單臂：
b、雙臂差動：
c、四臂差動：：
第三篇：電阻應變式稱重傳感器等工作原理
電阻應變式稱重傳感器等工作原理
電阻應變式稱重傳感器是基於這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感樑）在外作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形後，它的阻值將發生變化（增大或減小），再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。
由此可見，電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述。
一、電阻應變
電阻應變片是把一根電阻絲機械的分佈在一塊有機材料製成的基底上，即成為一片應變片。他的一個重要參數是靈敏係數k。我們來介紹一下它的意義。
設有一個金屬電阻絲，其長度為l，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作s，其電阻率記作ρ，這種材料的泊松係數是μ。當這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為r：
r = ρl/s（ω） （2—1）
當他的兩端受f力作用時，將會伸長，也就是説產生變形。設其伸長δl，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少δr。此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形後，電阻率也會有所改變，記作δρ。 對式（2--1）求全微分，即求出電阻絲伸長後，他的電阻值改變了多少。我們有：
δr = δρl/s + δlρ/s –δsρl/s2 （2—2）
用式（2--1）去除式（2--2）得到
δr/r = δρ/ρ + δl/l – δs/s （2—3）
另外，我們知道導線的橫截面積s = πr2，則 δs = 2πr*δr，所以
δs/s = 2δr/r （2—4）
從材料力學我們知道
δr/r = -μδl/l （2—5）
其中，負號表示伸長時，半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應泊松係數。把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有
δr/r = δρ/ρ + δl/l + 2μδl/l
=（1 + 2μ（δρ/ρ）/（δl/l））*δl/l
= k *δl/l （2--6）
其中
k = 1 + 2μ +（δρ/ρ）/（δl/l） （２--７）
式（2--6））説明了電阻應變片的電阻變化率（電阻相對變化）和電阻絲伸長率（長度相對變化）之間的關係。
需要説明的是：靈敏度係數k值的大小是由製作金屬電阻絲材料的性質決定的一個常數，它和應變片的形狀、尺寸大小無關，不同的材料的k值一般在1.7—3.6之間；其次k值是一個無因次量，即它沒有量綱。 在材料力學中δl/l稱作為應變，記作ε，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便
常常把它的百萬分之一作為單位，記作με。這樣，式（２--６）常寫作：
δr/r = kε (2—8)
二、彈性體
彈性體是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產生一個高品質的應變場（區），使粘貼在此區的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的轉換任務。
第四篇：地磁傳感器和加速度傳感器原理説明
memsic地磁與g-sensor
氣泡式加速度傳感器原理
ic內嵌入一個mems（微機電系統），內部充滿特定氣體，mems中間是加熱點，工作時加熱，當手機變動時，mems內的加熱的氣體向四周移動，四周有熱偶電阻，可以檢測移動方向；阻值變化轉化為電壓變化，在由ic內的asic電路放大輸出；
電容式g-sensor
硅片蝕刻成三個軸上的平板電容，每個平板電容的兩塊導電板之間有有彈性的介質（這種介質應是硅材料），當甩動手機時，彈簧變動，平行電容板的兩塊導電板之間間距變化，使得電容發生變化，經過放大輸出；
電容式g-sensor有共振和抖動問題
地磁傳感器原理
地球磁場強度約為0.4-0.6高斯
地磁種類：
amr：異響磁阻，磁體通電後，內部小磁體會與水平位置產生一個夾角，磁體阻抗發生變化，轉化為電信號；
amr材質的磁性強度剛好可以覆蓋地球磁場，無需處理，
gmr：兩個磁體之間有一層特殊金屬介質，當通電後，金屬層的阻抗會發生變化，轉化為電信號；
hall: 霍爾效應是電磁效應的一種，這一現象是美國物理學家霍爾（，1855—1938）於1879年在研究金屬的導電機制時發現的。當電流垂直於外磁場通過導體時，在導體的垂直於磁場和電流方向的兩個端面之間會出現電勢差，這一現象就是霍爾效應。這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。霍爾效應應使用左手定則判斷
gmr和hall磁場強度超過地磁場，因此gmr和hall效應做的地磁傳感器還增加了集磁器，提高磁場強度。
硬磁與軟磁
磁性材料按照磁化後去磁的難易程度，可分為軟磁性材料和硬磁性材料。磁化後容易去掉磁性的物質叫軟磁材料，不容易去磁的物質叫硬磁材料。一般來講軟磁性材料剩磁較小，硬磁性材料剩磁較大。
硬磁材料是指磁化後不易退磁而能長期保留磁性的一種鐵氧體材料，也稱為永磁材料或恆磁材料。
硬磁對地球磁場的影響：地球磁場投射到平面一般是個圓，硬磁會影響地磁場投射的圓心位置，使圓心位置發生漂移；
軟磁對地球磁場的影響：會使地球磁場投射平面變成橢圓
地磁的擺放：遠離磁性強的器件，如硬磁；也不要放置離軟磁折邊近的地方，折邊去容易磁化，對地球磁場產生影響
第五篇：三軸加速度傳感器的技術原理與市場前景分析
三軸加速度傳感器的技術原理與市場前景分析
技術分類： 測試與測量| 2014-06-17
意法半導體公司模擬、功率與微機電組件產品市場經理 鬱正德: edn china
目前，隨着ipod、iphone、sony ps3，以及wii等遊戲和娛樂類系列消費類產品的成功和熱銷，業界普遍預測微機電系統（mems，micro electro-mechanical system）類產品將成為半導體行業的下一個高速增長點。mems帶來的的操作、功耗，和尺寸上的革命性變革是其成功進入消費類電子市場的關鍵。其使更具創新性的電子產品設計成為可能，而且能給用户帶來全新的使用體驗。
以上提到的產品中都應用了加速度傳感器作為動作操控和ui操作的接收裝置。在wii和ps3中，加速度傳感器可以靈敏地感測遊戲者的動作，並將其轉換為遊戲中的虛擬人物、物品或交通工具的動作和狀態等並顯示在畫面中。ipod和iphone中的加速度傳感器則可以根據用户的動作而相應地對菜單進行操作，例如調整頁寬和改變內容顯示方向等。
目前3軸加速度傳感器的單位售價已降至1.5美元以下，相信在更大的需求量條件下有望突破1美元。較低的成本在以價格為主導的消費電子市場必將成為優勢之一。車身安全、控制及導航系統中的應用
加速度傳感器在進入消費電子市場之前，實際上已被廣泛應用於汽車電子領域，主要集中在車身操控、安全系統和導航，典型的應用如汽車安全氣囊（airbag）、abs防抱死剎車系統、電子穩定程序（esp）、電控懸掛系統等。
目前車身安全越來越得到人們的重視，汽車中安全氣囊的數量越來越多，相應對傳感器的要求也越來越嚴格。整個氣囊控制系統包括車身外的衝擊傳感器（satellite sensor）、安置於車門、車頂，和前後座等位置的加速度傳感器（g-sensor）、電子控制器，以及安全氣囊等。電子控制器通常為16位或32位mcu，當車身受到撞擊時，衝擊傳感器會在幾微秒內將信號發送至該電子控制器。隨後電子控制器會立即根據碰撞的強度、乘客數量及座椅/安全帶的位置等參數，配合分佈在整個車廂的傳感器傳回的數據進行計算和做出相應評估，並在最短的時間內通過電爆驅動器（squib driver）啟動安全氣囊保證乘客的生命安全。除了車身安全系統這類重要應用以外，目前加速度傳感器在導航系統中的也在扮演重要角色。專家預測便攜式導航設備（pnd）將成為中國市場的熱點，其主要利於gps衞星信號實現定位。而當pnd進入衞星信號接收不良的區域或環境中就會因失去信號而喪失導航功能。基於mems技術的3軸加速度傳感器配合陀螺儀或電子羅盤等元件一起可創建方位推算系統（dr, dead reckoning），對gps系統實現互補性應用。
硬盤抗衝擊防護
目前由於海量數據對存儲方面的需求，硬盤和光驅等元器件被廣泛應用到筆記本電腦、手機、數碼相機/攝相機、便攜式dvd機、pmp等設備中。便攜式設備由於其應用場合的原因，經常會意外跌落或受到碰撞，而造成對內部元器件的巨大沖擊。
為了使設備以及其中數據免受損傷，越來越多的用户對便攜式設備的抗衝擊能力提出要求。一般便攜式產品的跌落高度為1.2~1.3米，其在撞擊大理石質地面時會受到約50kg的衝擊力。雖然良好的緩衝設計可由設備外殼或pcb板來分解大部分衝擊力，但硬盤等高速旋轉的器件卻在此類衝擊下顯得十分脆弱。如果在硬盤中內置3軸加速度傳感器，當跌落髮生時，系統會檢測到加速的突然變化，並執行相應的自我保護操作，如關閉抗震性能差的電子或機械器件，從而避免其受損，或發生硬盤磁頭損壞或刮傷盤片等可能造成數據永久丟失的情況。
消費產品中的創新應用
3軸加速度傳感器為傳統消費及手持電子設備實現了革命性的創新空間。其可被安裝在遊戲機手柄上，作為用户動作採集器來感知其手臂前後、左右，和上下等的移動動作，並在遊戲中轉化為虛擬的場景動作如揮拳、揮球拍、跳躍、甩魚竿等，把過去單純的手指運動變成真正的肢體和身體的運動,實現比以往按鍵操作所不能實現的臨場遊戲感和參與感。此外，3軸加速度傳感器還可用於電子計步器，為電子羅盤（3d compass）提供補償功能，也可用於數碼相機的防抖。以上提到的種種創新應用使其成為下一代產品設計中必不可少的元件。
1．姿態與動作識別
3軸加速度傳感器的應用範圍很廣，除了文中提到的遊戲動作操控外，還能用於手持設備的姿態識別和ui操作。例如藉助3軸加速度傳感器，手持設備可實現畫面自動轉向。ipod touch就內建了此功能，設備顯示的畫面和信息會根據用户的動作而自動旋轉。其通過內部傳感器對重力向量的方向檢測來確定設備處於水平或垂直狀態，並自動調整顯示狀態，給用户帶來方便。
傳感器對震動的感知性能也可將以前傳統的按鍵動作變化為震動，用户可通過單次或多次震動來進行功能的選擇，如曲目的選擇、音量控制等。此外，該功能還可擴展至對用户界面元素的操控。如屏幕顯示內容的上下左右等方向的瀏覽可通過傾斜手持設備來完成。
2．趣味性擴展功能
3軸加速度傳感器對用户操控動作的轉變還可轉化為許多趣味性的擴展功能上，如虛擬樂器、虛擬骰子游戲，以及“閃訊”（wave message）等。虛擬樂器內置的加速度傳感器可檢測用户對手持設備的揮動來控制樂器的節奏和音量等；骰子游戲也採用類似的原理，通過
對揮動等動作的感知來控制虛擬骰子的旋轉速度，並藉助內部數學模型抽象的物理定律決定其停止的時間。
“閃訊”是一個更富有想象力的應用，用户可利用此功能在空中進行文字編輯。“閃訊”即讓手持設備通過加速度傳感器捕捉用户在空中模擬寫字的快速動作，主要適合較暗的環境下使用。手持設備上會安裝發光的led，由於人眼視網膜的視覺暫留現象，其在空中揮動的動作會在其眼中留下短暫的連續畫面，完成寫字的所有動作筆順。
3．功耗控制
功耗一直是便攜設備設計中要考慮的重要因素，內置3軸加速度傳感器則使設備可通過檢測設備的使用狀況來對其用電模式加以控制，從而有效延長電池的使用時間。thelma製程技術
成熟的製程技術是3軸加速度傳感器和其他mems產品在消費電子產品市場成功的關鍵之一。目前，為了達到產量及質量控制的嚴格要求，充分利用全球半導體產業界的製造和材料資源，以及生產流程控制經驗，mems類元器件大多采用標準的cmos半導體制造技術，這樣不但能使其生產製造從規模經濟中受惠，還能讓mems元器件隨光照製程的微型化先進製程不斷演進和發展，產品體積更小。
然而在製程技術上，mems類組件的生產與其它一般芯片有所差異。早期的mems產品製造中多采用單晶硅為材料，和比較簡單且穩定的體型微加工（bulk micro-machining）技術，缺點是製造成本較高。目前的製造技術比較接近集成電路半導體的製程，多采用多晶硅表面微加工（surface micro-machining）科技，使成本有效降低，而且加工的精度和分辨率均更加出色。
各廠家的mems類元件製程技術雖然在工藝和加工設備上較類似，大都採用文中提到的cmos製程與表面微加工技術，但為了與自身的生產製造特點相符，製造商往往會根據自己的經驗開發出其特有的生產加工平台及相應的流程，以實現縮短生產週期、提高產品質量和降低加工成本的目的。
thelma製程技術，即厚磊晶層（thick epitaxial layer for micro-gyroscopes and accelerometer）技術，是st發展出的專有表面為加工製程，主要針對高靈敏度、高探測範圍的加速度傳感器和陀螺儀等mems元器件的生產加工。其通過運用深度蝕刻技術及犧牲層（sacrificial-layer）等理論，可在微型裝置中加工出能實現各種動作的精密機械機構。thelma製程技術主要包含六個主要步驟：基底熱氧化、水平互連的沉積與表面圖樣化
(patterning)、犧牲層的沉積與表面圖樣化、結構層的磊晶生長、用通道蝕刻將結構層圖樣化、以及犧牲層的氧化物去除，與接觸金屬化沉積。
多晶硅材料具有良好的耐疲勞性及抗衝擊性，且採用cmos製程除了能帶來較低的成本、更穩定的加工流程，芯片與傳感器的功能相獨立還保證了設計上的靈活性。獨特的thelma技術還可提供完整的鑄模封裝，使生產出的元器件具有極可靠的物理性質，能製造出最佳的制止器（stopper），降低電極之間的靜電摩擦等風險。與傳統工藝相比較，thelma技術可以減少芯片面積，因而克服體型微加工過程中常見的設計侷限。此外，其會生長出一塊厚度約15微米（um）的多晶硅磊晶層。該硅結構在增加厚度的同時也增加了垂直表面積，因而增大平行於基底的靜電啟動器的總電容值。
加速度傳感器技術原理
mems換能器（transducer）可分為傳感器（sensor）和致動器（actuator）兩類。其中傳感器會接受外界的傳遞的物理性輸入，通過感測器轉換為電子信號，再最終轉換為可用的信息，如加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器等。其主要感應方式是對一些微小的物理量的變化進行測量，如電阻值、電容值、應力、形變、位移等，再通過電壓信號來表示這些變化量。致動器則接受來自控制器的電子信號指令，做出其要求的反應動作，如光敏開關、mems顯示器等。
目前的加速度傳感器有多種實現方式，主要可分為壓電式、電容式及熱感應式三種，這三種技術各有其優缺點。以(更多精彩文章請關注好 範文網：)電容式3軸加速度計的技術原理為例。電容式加速度計能夠感測不同方向的加速度或振動等運動狀況。其主要為利用硅的機械性質設計出的可移動機構，機構中主要包括兩組硅梳齒（silicon fingers），一組固定，另一組隨即運動物體移動；前者相當於固定的電極，後者的功能則是可移動電極。當可移動的梳齒產生了位移，就會隨之產生與位移成比例電容值的改變。
如圖結構中，當運動物體出現變速運動而產生加速度時，其內部的電極位置發生變化，就會反映到電容值的變化（δc），該電容差值會傳送給一顆接口芯片（interface chip）並由其輸出電壓值。因此3軸加速度傳感器必然包含一個單純的機械性mems傳感器和一枚asic接口芯片兩部分，前者內部有成羣移動的電子，主要測量xy及z軸的區域，後者則將電容值的變化轉換為電壓輸出。
文中所述的傳感器和asic接口芯片兩部分都可以採用cmos製程來生產，而在目前的實際生產製造中，由於二者實現技術上的差異，這兩部分大都會通過不同的加工流程來生產，再最終封裝整合到一起成為系統單封裝芯片（sip）。封裝形式可採用堆疊（stacked）或並排（side-by-side）。
手持設備設計的關鍵之一是尺寸的小巧。目前st採用先進lga封裝的加速度傳感器的尺寸僅有3 x 5 x 1mm，十分適合便攜式移動設備的應用。但考慮到用户對尺寸可能提出的進一步需求，加速度傳感器的設計要實現更小的尺寸、更高的性能和更低的成本；其檢測與混合訊號單元也會朝向晶圓級封裝（wlp）發展。
下一代產品的設計永遠是st關注的要點。就加速度傳感器的發展而言，單芯片結構自然是必然的趨勢之一。目前將mems傳感器與cmos接口芯片整合的過程是最耗費成本的加工環節，如果能實現單芯片的設計，其優點不言而喻，封裝與測試的成本必然會大幅度降低。加速度傳感器選用要點
加速度傳感器針對不同的應用場景，也在特性上體現為不同的規格。用户需根據自身的具體需要選取最適合的產品。如上文提到的汽車車身衝擊傳感器或洗衣機等家電的振動傳感器等來説，需選用高頻（50~100hz）的加速度傳感器；對於硬盤的跌落和振動保護，需要中頻（20~50hz）以上的加速度傳感器；而手持設備的姿態識別和動作檢測只需低頻（0~20hz）產品即可。
線形加速度傳感器的選取還需要考慮滿量程（full scale，fs）、靈敏度及解析度等元件的特性。滿量程表示傳感器可測量的最大值和最小值間的範圍；靈敏度與adc等級有關，是產生測量輸出值的最小輸入值；解析度則表示了輸入參數最小增量。
除此之外，加速度傳感器按輸出的不同還可分為模擬式和數字式兩種。其中模擬式加速度傳感器輸出值為電壓，還需要在系統中添加模數轉換（adc）；數字式加速度傳感器的接口芯片中已經集成了adc電路，可直接以spi或i2c等實現數字傳輸。數字式產品在成本上也有一定優勢，因為高質量adc通常比較昂貴，價格甚至可超過傳感器部分的單獨售價。結論
wii憑藉加速度傳感器為市場帶來前所未有的革命性的操控方式。3軸加速度傳感器為消費電子類產品，尤其是手持設備的各方面設計都帶來更多的創新性，在短期內必然會獲得市場的成功。而在未來的電子產品中，多傳感器將是一個重要的發展趨勢，其會讓電子產品在使用上更加人性化；此外，為了縮小產品尺寸和提高產品的應用價值，混合式感測器（hybrid sensor），如加速度傳感器與陀螺儀的集成，也必然是一個發展方向，多功能混合式傳感器必將以其較高的附加價值和用户操控體驗佔領高端市場；同時隨着技術的進步，單一功能結構的傳感器也將向低端市場推廣和普及。
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