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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电容式加速度传感器在汽车安全系统.精品文档.传感器结业论文电容式加速度传感器在汽车安全气囊系统中的应用学生姓名：指导教师：所在学院：专 业：电气工程及其自动化2012 年 12 月本科毕业设计（论文）任务书学生姓名所在班级电气)导师姓名导师职称论文题目电容式加速度传感器在汽车安全气囊系统中的应用题目分类1应用与非应用类：工程 科研 教学建设 理论分析模拟2软件与软硬结合类：软件硬件软硬结合非软硬件（1、2类中必须各选一项适合自己题目的类型在内打）主要研究内容及指标： 本文对一种基于MEMS技术的电容加速度传感器的设计方案进行了分析设计。 微电
2、容式传感器因其结构简单,是微传感器技术领域中发展最快的一种传感器。实现平面上的加速度监测，灵敏度和分辨率满足汽车安全气囊用要求。随着车辆的不断增加, 如何更好的保护人类生命安全已成为新一代安全系统的研究课题, 人们对汽车被动安全装置特别是新型智能化安全气囊的开发对新技术提出了更高的要求, 才能进一步将安全气囊智能化程度的研究工作逐步推向研制智能乘员保护系统的新阶段, 这也是智能化安全系统未来研究的主要方向。主要参考文献：1张金换等汽车安全气袋系统的研究J清华大学学报.1997(8).19692邱卓丹现代汽车安全技术的研究发展J湖南工程学院学报，2002(3).153黄仁欣，马彪单片机原理与应用
3、M北京：清华大学出版社.2008.100102阶段规划：收集查找资料,设计总体方案;基于MEMS技术的电容加速度传感器的设计方案进行了分析设计开题时间完成论文时间专家审定意见：系主任签字：年 月 日摘要给出了一种基于MEMS 技术制作的微电容式加速度传感器的结构及工艺。为了准确地把握这种微电容式加速度传感器的力学和电学特性,仔细地建立了它的力学模型。在此基础上,详细分析了它的动态特性模态。并用有限元的方法分析和计算了微电容式加速度传感器的加速度与电容信号的非线性输入输出关系,并结合实测参数验证了模型的有效性。最后提出了一种详细的有效的基于MEMS 技术的微电容式加速度传感器的结构以及加工工艺流
4、程。基于MEMS 技术制作的微电容式加速度传感器具有结构简单、工作可靠和工作范围大的特点。根据这套方法,可以比较方便地设计并加工不同测量要求的加速度计。MEMS（微机电系统）传感器在高档汽车中，大约采用25至40只MEMS传感器,其中有安全气囊中的汽车安全气囊感应器。气囊做为车身被动安全性的辅助配置，日渐受到人们的重视。关键词: MEMS技术 微电容 微机电系统目录摘要I前言III1绪论11.1初步了解汽车安全气囊11.2汽车安全气囊系统与相应的各部件的功能11.3电容式加速度传感器在系统中的目的及意义22. 电容式加速度传感器在系统中的工作原理22.1基于MEMS 技术的微电容式传感器的模型
5、及其原理22.2有限元模型分析与实测参数32.3工艺流程设计53. MEMS电容式加速度传感器在汽车安全气囊系统63.1智能汽车安全气囊系统64.电容式加速度传感器在汽车安全系统中的实际应用7结论8参考文献9前言汽车安全气囊系统（简称SRS）是辅助安全系统，它通常是作为安全带的辅助安全装置出现。安全气囊主要由传感器、微处理器、气体发生器和气囊等部件组成，传感器感受汽车的碰撞程度并将信号送到控制器，控制器对信号进行处理。本文利用加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前
6、排乘员的胸部和头部。安全气囊是汽车必备的安全系统，在汽车发生碰撞后达到减轻乘员受伤害程度的目的。做为车身被动安全性的辅助配置，日渐受到人们的重视。 1绪论1.1初步了解汽车安全气囊安全气囊设计的基本思想是：在汽车发生一次碰撞后，汽车基本不动，车内乘员由于惯性还要向前运动与车内仪表盘、玻璃等构件发生二次碰撞，在乘员与汽车内部构件之间如果迅速打开一个充满气体的气囊，使乘员“撞”在气囊上，可以减缓冲击并吸收碰撞能量，从而达到减轻乘员受伤害程度的目的。安全气囊的基本工作过程：当汽车高速行驶发生碰撞事故时，车上的碰撞传感器将接收到的碰撞信号传输给电子控制装置，电子控制装置将其与内部预设的值进行分析、比较
7、，若达到或超过预设值时，便发出指令引爆气体发生器，使气体发生器产生大量气体（一般为氮气），并经过过滤、冷却后快速充入一个坚韧的纤维编织气囊内，在30ms 内气囊迅速膨胀展开，在乘员与车内构件之间形成一个弹性气垫。气囊的侧面有排气孔，当乘员碰到高压膨胀的气囊时，囊内气体排出，气囊收缩，吸收乘员向前强大的惯性冲击能量，有效保护人体头部、胸部，减轻受伤害程度。1.2汽车安全气囊系统与相应的各部件的功能安全气囊主要由电容式加速度传感器（碰撞传感器）、微处理器、气体发生器和气囊等部件组成。碰撞传感器和微处理器用以判断撞车程度，传递及发送信号；气体发生器根据信号指示产生点火动作，点燃固态燃料并产生气体向气
8、囊充气，使气囊迅速膨胀，气囊容量约在(50-90)L。同时气囊设有安全阀，当充气过量或囊内压力超过一定值时会自动泄放部分气体，避免将乘客挤压受伤。安全气囊所用的气体多是氮气或一氧化碳。 以车速50公里每小时进行正面撞车时，其发生时间只有十分之一秒左右，车辆紧急停止。安全气囊是由传感器、气体发生器、气囊和电控单元组成，传感器感受汽车的碰撞程度并将信号送到控制器，控制器对信号进行处理，当判断有必要打开气囊时发出信号触发气体发生器，气体发生器迅速点火并产生大量气体给气囊充气，整个过程所需要的时间约需10毫秒。其中碰撞传感器按照用途的不同，碰撞传感器分为触发碰撞传感器和防护碰撞传感器。触发碰撞传感器也
9、称为碰撞强度传感器，用于检测碰撞时的减速度或惯性，并将碰撞信号传给气囊电脑，作为气囊电脑的触发信号；防护碰撞传感器也称为安全碰撞传感器，它与触发碰撞传感器串联，用于防止气囊误爆。在系统中气囊的作用：在乘员使用安全带的情况下，气囊有助于减轻胸、头和面部在碰撞时受伤的严重性。在汽车发生碰撞前时，首先是汽车要停止运动，车内乘员的惯性力作用下仍以原来速度继续向前运动。不佩戴安全带的乘员将会与转向盘、前挡风玻璃相碰，因而可能受到严重伤害；佩戴安全带的乘员将在安全带的作用下，随着汽车停止运动而逐渐停止向前运动。但当碰撞比较凶猛时，乘员向前运动更快，即使佩戴了安全带，在安全带使乘员完全停止运动前，他们仍会与
10、车内物相碰。如果此时装在转向盘或仪表板内的气囊充气弹出，它就可以保护乘员减少其与车内物相碰的可能性，更均匀地分散头、胸的碰撞力，吸收乘员的运动能量，从而起到补充安全带效果的作用。因此气囊主要在缓冲前碰撞或近似前碰撞严重性方面，补充安全带提供保护作用。实际事故统计表明，仅有10%左右的事故能使气囊充气。绝大部分事故都是靠安全带减少乘员受伤危险的。即使在气囊能充气的事故中，佩戴安全带也非常重要，一方面它确保乘员处于可获得气囊最有效保护位置与姿势，另一方面也减少了充气气囊对乘员面部擦伤的危险。因此，无论车内是否装有气囊，都必须佩戴安全带，气囊只起到辅助作用。1.3电容式加速度传感器在系统中的目的及意
11、义本文对一种基于MEMS技术的电容加速度传感器的设计方案进行了分析设计。随着微机械系统和微加工技术的发展,微型传感器也随之迅速发展。微传感器因其尺寸微小,测量准确度和灵敏度高而广泛应用于工程、医学、生物等各个领域。微电容式传感器因其结构简单,是微传感器技术领域中发展最快的一种传感器。实现平面上的加速度监测，灵敏度和分辨率满足汽车安全气囊用要求。其中MEMS是由集成电路技术发展而来，经过大约20年的萌芽阶段，开展了一些有关MEMS的零散研究，使得体硅加工技术和表面加工技术迅速成熟起来。到了20世纪90年代，全世界的MEMS研究进入了一个突飞猛进、日新月异的发展阶段。一批研究成果有了实际应用。 M
12、EMS技术带来了传感器和执行器的革命性变化。一般来说，传感器是用来探测和监测物理化学现象的器件，而执行器是用来产生机械运动、力和扭矩的器件。传感器和执行器可以统称为换能器，换能器可以实现信号和能量由一种能量转换为另一种能量。比较受关注的能域主要有六个，分别是电能、机械能、化学能、辐射能、磁能和热能。传感器可分为两类：物理传感器和生化传感器。物理传感器测量力、加速度、压力、温度、流速、声波振动和磁场强度等物理量。加速度传感器就是一种典型的物理传感器。2. 电容式加速度传感器在系统中的工作原理2.1基于MEMS 技术的微电容式传感器的模型及其原理微电容式加速度传感器的工作原理是:当传感器的质量块受
13、到加速度作用的时候,会产生惯性力,这个惯性力会使梁发生变形。把梁作为电容器的一个电极,当梁发生形变时,电容器两极板之间的距离将会发生变化。根据平板电容关系式为式中, A , d 分别是电极间的介电常数、有效面积和极板间距。所以压力载荷引起的极板间距d 的变化必然会使电容C 发生相应的变化。只要通过测得电容的变化量,就能求出加速度的大小。把传感器的质量块的尺寸作为变量, 相应地4 根梁的尺寸随着变化,假设梁的质量忽略不计,而质量块的质量平均分布到4 根梁上。对于这种简单载荷, 可以根据悬臂梁模型的曲线方程求出梁的挠度1 , 将其等效为质量块的最大形变, 从而可以估算出电容极板间距的要求。弹性曲线
14、方程式中力F为传感器质量块的1/ 4 ,即F =mg/4 ; E为梁的弹性模量; l 为梁的长度; I 为梁的惯距。由此可以算出梁的最大变形量, 即约等于等效梁模型的挠度。这里近似地认为梁的最大变形量也就是电容极板间距的最大变化量, 由此可以推断出所能测量的最大加速度。反之, 根据所需要的加速度的测量要求,可以相应地调整质量块的尺寸来满足设计要求。图一 电容式加速度传感器的结构2.2有限元模型分析与实测参数有限元分析( FEA) 法是目前工程技术领域中实用性最强,应用最为广泛的数值模拟方法。它的基本思想是将问题的求解域分为一系列单元, 单元之间仅靠节点连接。单元内部点的待求物理量可由单元节点物
15、理量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单,易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式, 然后将各个单元方程组合在一起而形成总体代数方程组, 加入边界条件后即可对方程组求解。ANSYS 是一种基于有限元分析法的大型软件, 其基本步骤与常规的FEA 法一致。本文就是利用ANSYS 来对结构进行分析的。首先进行静态分析,所选择的加速度的测量范围从2 mgn 到20 gn ,根据模拟结果,得到电容与加速度之间的关系,如图2曲线所示。图二 电容和加速度关系仿真曲线同时采用ANSYS软件来进行模态分析。表1 列出各种振型(从模态振型1 到模态振型20) 的模态频率。表一 各种振型的模态频率在以
16、上的振型中,取几个具有典型意义的振型,来分析它们的变形情况。在求得该传感器的各阶模态参数后,有助于对其动态特性进行评价和修改,并验证了该种传感器的有效性2 。图3 为两个振型图。图三 两个振型图2.3工艺流程设计 所提出的这种微电容式加速度传感器是基于MEMS 技术的,所以它应该符合MEMS 的标准工艺。MEMS 工艺是建立在IC 工艺基础上的,主要包括:清洗、氧化、光刻、腐蚀、溅射、扩散、键合、引线与封装等。根据要加工的器件,本文设计了这种MEMS 微变电容的整个制造工艺流程:(1) 和(2) 选取P 型 单晶硅片生长二氧化硅掩模。硅晶片主要是为了制作重掺杂的硼硅膜,用做电容的一个电极。先在
17、硅片的两面氧化出56m 的氧化层,光刻相应的沟槽形状,然后用TMAH(四甲基氢氧化氨水) 溶液腐蚀得到2m 的沟槽(真空腔) 的形状; (3 ) 选用固态硼源硼扩。然后用BHF 液(NH4FHFDI = 34. 6 %6. 8 %58. 6 %) 除去硅片另一面用作保护的氧化层。浓硼扩散其实首先是在(2) 所刻出的槽中采用套刻出二氧化硅的掩模来;(4) 玻璃是传感器的衬底,也是电容的另一个电极。本设计选用7740 # 玻璃,玻璃上面的电极采用磁控溅射的方法实现。为了加强金属电极与玻璃之间的结合效果, 可以采用两种金属, 先溅射大约50 nm 的钛,然后再溅射200 nm 左右的铝;(5) 把经
18、浓硼扩散的硅片和做好电极的玻璃用静电法键合;(6) 打薄硅片使得其厚度为200m (忽略上下电极间隔2m ,也就是使得其厚度等于所设计质量块厚度) 。生长二氧化硅保护层;(7) 再次光刻腐蚀氧化掩模;(8) 而后可以得到梁的形状。这里要说明的是,由于在第三步浓硼扩散得到的是梁的形状,因而最后,没有二氧化硅掩模保护的硅被腐蚀掉,而被二氧化硅掩模所保护的硅和抗腐蚀的硼硅玻璃保留下来,而得到了质量块、梁、以及梁的基座。试验测试结果根据ANSYS模拟曲线发现在12 gn 以下有较好的线性度,所以实际测量时对于准确度的测是在小于12 gn 的这段范围内进行的。参看图4 ,在12 gn的范围内加速度和电容
19、的关系基本上仿真得到的关系一致,从而可以看出设计仿真基本正确。另外根据实测数据计算,其灵敏度为0.124 9 p F/ gn 。图四 电容和加速度关系曲线（实际和仿真）通过对该传感器的原理以及工艺流程分析并结合实测数据,说明了该种基于MEMS 技术的微电容式传感器的原理可行性和工艺可实现性。使用有限元分析的方法,借助有限元软件分析得到了C2U 关系,与实际测量参数相比较,可以看到建立的模型是比较有效的。从C2U 关系可以看出, 这种微电容式加速度传感器具有非常大的测量范围, 另外它也能达到较满意的灵敏度。3. MEMS电容式加速度传感器与汽车安全气囊系统3.1智能汽车安全气囊系统智能气囊系统：
20、当车辆发生碰撞时，乘员的安全维系于气囊的及时展开，它必须在恰到好处的时间点张开，并朝着乘员的方向提供合适的作用力。尽管对于乘员及其运动的监测可以由位于座椅上的MEMS加速计系统来监测，但是，在车辆中的安全气囊系统可以被安装在不同的地方，因此，要判断多个信息为汽车提供先进的乘员安全条件。MEMS 加速计在汽车安全气囊应 用的碰撞与冲击检测方面的使用已逾十年。目前，MEMS加速计已经成为汽车安全系统的一部分。一个系统示例就是电子稳定性控制 (ESC)，它可以检测车辆转弯时的意外侧滑，通过自动控制引擎、悬架、刹车，让车辆恢复稳定。图五 安全气囊工作框图4.电容式加速度传感器在汽车安全系统中的实际应用
21、MEMS（微机电系统）传感器在高档汽车中，大约采用25至40只MEMS传感器,其中有安全气囊中的汽车安全气囊感应器。气囊做为车身被动安全性的辅助配置，日渐受到人们的重视。当汽车碰撞后，乘员与车内构件尚未发生“二次碰撞前”迅速在两者之间打开一个充满气体的气垫，使乘员因惯性而移动时“扑在气垫上”从而缓和乘员受到的冲击并吸收碰撞能量，减轻乘员的伤害程度。安全气囊分布在车内前方（正副驾驶位），侧方（车内前排和后排）和车外三个方向。其实，若不配合安全带使用的话，在某些情况下，安全气囊展开时会对乘员造成不必要的伤害。在正驾驶位的气囊装在方向盘的中间位置，副驾驶位的安全气囊安装在正前方的平台内部，在意外发生
22、的瞬间可以有效的保护驾驶员和副驾驶位乘员的头部和胸部，因为正面发生的猛烈碰撞会导致车辆前方大幅度的变形，而车内乘员会随着这股猛烈的惯性向前俯冲，造成跟车内构件的相互撞击，另外车内正驾驶位置的安全气囊可以有效的防止在发生碰撞时方向盘顶到驾驶者的胸部，避免致命的伤害。结论随着车辆的不断增加, 如何更好的保护人类生命安全已成为新一代安全系统的研究课题, 人们对汽车被动安全装置特别是新型智能化安全气囊的开发对新技术提出了更高的要求。今后, 在设法增加乘员的保护部位( 例如下肢和颈部等) , 减小气囊的体积和重量, 优化气囊的充气速、折叠方式和最佳触发时刻的同时, 更应努力解决好转向柱、座椅、头枕、内饰
23、件、车身结构、吸能塑性保险杠、风窗玻璃、安全带和安全气囊等各部件防碰撞特性的协调与互补问题, 才能进一步将安全气囊智能化程度的研究工作逐步推向研制智能乘员保护系统的新阶段, 这也是智能化安全系统未来研究的主要方向。参考文献1张金换等汽车安全气袋系统的研究J清华大学学报.1997(8).19692邱卓丹现代汽车安全技术的研究发展J湖南工程学院学报，2002(3).153黄仁欣，马彪单片机原理与应用M北京：清华大学出版社.2008.1001024鲁植雄汽车安全气囊故障诊断M南京.江苏科学技术出版社.2003.1205戴焯汽车电子控制装置M北京：北京理工大学出版社.1999.2002186董辉汽车用传感器M北京：北京理工大学出版社.2000.1872167 程未等.基于MEMS技术的微电容式加速度传感器的设计J.传感器技术.2003