计及边缘效应的双差动电容式加速度传感器的输出特性

王福谦

doi:10.3969/j.issn.1000-1158.2025.05.13

PDF(2738 KB)

计量学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (5) : 709-715. DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2025.05.13

力学计量

计及边缘效应的双差动电容式加速度传感器的输出特性

王福谦

作者信息 +

Output Characteristic of Dual Differential Capacitive Accelerometer Considering Edge Effects

WANG Fuqian

Author information +

文章历史 +

摘要

为了实现对二维加速度的准确测量，在计及边缘效应的变极距及变夹角的平板电容器电容的基础上，运用计算机数值模拟，研究计及边缘效应的双差动平板电容式加速度传感器和双差动电容角位移传感器的输出特性。数值模拟结果表明，输出特性优化后的双差动平板电容式加速度传感器和电容角位移传感器，其灵敏度不低于1.4 pF/（m·s^-2）和7.5 pF/rad，且均具有良好的线性度；在计边缘效时，可减小这2种传感器的测量误差，对于文中给定的传感器的几何尺寸和测量范围，减小的绝对误差最大值可达约1 m/s²和0.012 5 rad。将双差动平板电容式加速度传感器和双差动电容角位移传感器组合，构成二维双差动电容式加速度传感器，该加速度传感器具有结构简单、测量准确度高等优点，可用于测量线运动和轴向翻滚。

Abstract

In order to achieve accurate measurement of two-dimensional acceleration， based on the variable pole distance and angle capacitance of the flat plate capacitor taking into account the edge effect， computer numerical simulation is used to study the output characteristics of the double differential flat plate capacitive accelerometer and the double differential capacitive angular displacement sensor taking into account the edge effect. The numerical simulation results show that the optimized output characteristics of the dual differential plate capacitive accelerometer and capacitive angular displacement sensor have sensitivities of no less than 2.15 pF/（m·s^-2） and 7.5 pF/rad， and both have good linearity. When calculating the edge effect， the measurement error of these two sensors can be reduced. For the geometric dimensions and measurement range of the sensors given in the article， the maximum absolute error reduction can reach about 1 1m/s²and 0.0125 rad. A two-dimensional dual differential capacitive accelerometer is formed by combining a dual differential planar capacitive accelerometer and a dual differential capacitive angular displacement sensor. This accelerometer has the advantages of simple structure and high measurement accuracy， and can be used to measure linear motion and axial rolling.

导出引用

王福谦. 计及边缘效应的双差动电容式加速度传感器的输出特性[J]. 计量学报. 2025, 46(5): 709-715 https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2025.05.13

WANG Fuqian. Output Characteristic of Dual Differential Capacitive Accelerometer Considering Edge Effects[J]. Acta Metrologica Sinica. 2025, 46(5): 709-715 https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2025.05.13

中图分类号： TB934

参考文献

列表( 原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序 ) 可视化分析

1	SNYAL K， BISWAS K. Structural design and optimization of MEMS based capacitive accelerometer［C］// IEEE 2017 Devices for Integrated Circuit.Kalyani， India， 2017. 本文引用 [1]

2	GAN H， JIN Y F， MIAO M， et al. A Novel LTCC Capacitive Accelerometer Embedded in LTCC Packaging Substrate［C］// Proceedings of the 2011 6th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems. Kaohsiung， China， 2011. 本文引用 [1]

3	Mukherjee B， Swamy K B M， Kar S， et al. Effect of Voltage Induced Electrostatic Forces on MEMS Capacitive Accelerometer［C］// Proceeding of the 2011 IEEE Students' Technology Symposium. Khargpur，India，2011. 本文引用 [1]

4	张佳旗，周敬然，孙长轮，等. 电容式二维加速度传感器的研究［J］. 长春理工大学学报， 2009，3 2（1）：99-101. ZHANG J Q， ZHOU J R， SUN C L，et al. Research on Two Dimensional Capacitive Acceleration Sensor［J］. Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition）， 2009， 32（1）：99-101.（in Chinese）本文引用 [1]

5	张晗. 回形梁变电容式二维加速度传感器［D］. 长春：吉林大学， 2006.

6	王佳能. 二维微加速度传感器检测电路的研究［D］. 重庆：重庆大学， 2006. 本文引用 [1]

7	矣雷阳，孙晨，胡宗达，等. 一种用于地震检波器的新型MEMS加速度传感器［J］. 微纳电子技术， 2015， 52（7）：433-438，445. Yi L Y， Sun C， Hu Z D， et al. A Novel MEMS Accelerometer for Seismomter［J］. Micronanoeletronic Technology， 2015， 52（7）：433-438，445. 本文引用 [1]

8	马喜宏，刘俊，郭虎刚. 混合集成电容式加速度传感器的设计［J］. 中北大学学报， 2010， 31（5）：509-513. MA X H， LIU J， GUO H G. Design of Hybrid Integrated Capacitance Accelerometer［J］. Journal of North Uniiversity of China， 2010， 31（5）：509-513. 本文引用 [1]

9	马淑敏. 微加速度传感器的结构特性与仿真研究［D］. 成都：电子科技大学，2013. 本文引用 [1]

10	殷苏民，李正阳，万翔，等. 电容式MEMS加速度传感器在气囊系统中的应用［J］. 传感器与微系统， 2015， 34（7）：151-154. YIN Z M， LI Z Y， WAN X， et al. Application of Capacitive Acceleration Sensor Based on MEMS in Airbag System［J］. Transducer and Microsystem Technologies， 2015， 34（7）：151-154. 本文引用 [1]

11	李彩华，孙庆彦. 水库大坝地震监测系统—（二）变极距型电容加速度传感器［J］. 水电自动化与大坝监测， 2006， 30（3）：45-47. LI C H， KONG Q Y. Dam-reservoir earthquake monitoring systerm-Part two variable-distance capacitance accelerometer ［J］. Hydropower Automation and Dam Monitoring， 2006， 30（3）：45-47. 本文引用 [1]

12	STEIGERWALD J M， MURARKA S P， GUTMANN R J. Chmical mechanical planariation of microelectronic materials［M］. New York：A wiley-interscience Publication Jhon Wiley and Sons Inc，1997. 本文引用 [1]

13	赵剑，王洪喜，贾建援. 计及边缘效应的静电驱动微结构静电力的计算［J］. 微纳电子技术， 2006（2）：95-97. ZHAO J， WANG H X， JIA J Y. Computation of electrostatic force with edge effects for micro-structures［J］. Micronanoeletronic Technology， 2006（2）：95-97. 本文引用 [1]

14	王沫然. MATLAB与计算科学［M］. 北京：电子工业出版社， 2012. 本文引用 [1]

15	解锦秋，朱益清. 非平行板电容器的电容和电场的计算［J］. 工科物理， 1999（1）：2-3. XIE J Q， ZHU Y Q. The Calculation of Capacitance and Electric Field for Non-parallel Plate Capccitor［J］. Engineering Physcis， 2018， 37（7）：15-18，27. 本文引用 [1]

16	万步勇，张小松，冯庆. 非平行板电容器电容的边缘效应研究［J］. 大学物理， 2012，31（7）：15-18，27. WAN B Y， ZHANG X S， FENG Q. Edge-effect in capacitance of non-parallel plate capacitor［J］. College Physcis， 2012， 31（7）：9-12. 本文引用 [1]