Тема 4. Микроэлектромеханические преобразователи

18. Ёмкостные электромеханические преобразователи. Основные типы конструкций.

Ёмкостные электромеханические преобразователи (ЕМП) преобразуют механические воздействия (перемещение, ускорение, давление и т.д.) в электрический сигнал путем изменения ёмкости между двумя электродами. Они широко используются в микромеханических системах (MEMS), датчиках и актуаторах. Рассмотрим основные аспекты работы и типы конструкций таких преобразователей.

Принцип работы ёмкостных электромеханических преобразователей

• Ёмкость C между двумя электродами определяется выражением:

Основные типы конструкций ёмкостных электромеханических преобразователей

1. С переменным расстоянием между электродами

   • Принцип: расстояние ddd между электродами меняется под действием внешней силы.

   • Конструкция:

     • Один электрод подвижен (мембрана, пластина), другой закреплён.

     • Применяется в микромеханических акселерометрах и микрофонах.

   • Преимущества:

     • Простота конструкции.

     • Высокая точность при малых перемещениях.

   • Недостатки:

     • Чувствительность к паразитным ёмкостям.

     • Ограничение по механической прочности.

2. С переменной площадью перекрытия электродов

   • Принцип: площадь AAA перекрытия электродов изменяется при перемещении подвижного электрода.

   • Конструкция:

     • Часто используется в гребенчатых конструкциях, где множество пальцев (зубцов) подвижного электрода перемещаются относительно неподвижного.

     • Применяется в ёмкостных датчиках ускорения и позиционных системах.

   • Преимущества:

     • Увеличение чувствительности за счёт множества пар электродов.

     • Стабильная работа в широком диапазоне перемещений.

   • Недостатки:

     • Более сложная технология изготовления.

3. С переменной диэлектрической проницаемостью среды

   • Принцип: диэлектрическая проницаемость ε\varepsilonε между электродами изменяется под действием внешних факторов (например, давление изменяет плотность среды).

   • Конструкция:

     • Электроды фиксированы, а между ними помещён подвижный диэлектрик (газ, жидкость или твёрдое тело).

     • Применяется в ёмкостных датчиках давления, влажности и других сред.

   • Преимущества:

     • Простота конструкции при фиксированных электродах.

     • Отсутствие износа подвижных частей (если нет механического контакта).

   • Недостатки:

     • Зависимость характеристик от стабильности среды.

     • Сложность обеспечения герметичности конструкции.

4. С комбинированными изменениями параметров

   • Принцип: одновременное изменение нескольких параметров (ddd, AAA, ε\varepsilonε).

   • Конструкция:

     • Используется в сложных многослойных структурах MEMS, где может изменяться расстояние, перекрытие и диэлектрические свойства.

     • Применяется в многомерных датчиках и устройствах с высокой точностью измерений.

   • Преимущества:

     • Высокая чувствительность и разрешение.

   • Недостатки:

     • Очень сложная конструкция и производство.

Применение ёмкостных электромеханических преобразователей

1. Датчики:

   • Акселерометры.

   • Датчики давления.

   • Микрофоны.

   • Датчики уровня жидкостей.

2. Актуаторы:

   • Управление микрооптическими системами.

   • Генерация механических движений в системах микроприводов.

3. Промышленные применения:

   • Контроль вибрации.

   • Контроль позиционирования.

Преимущества и недостатки ёмкостных преобразователей

Преимущества	Недостатки
Высокая чувствительность.	Зависимость от паразитных ёмкостей.
Низкое энергопотребление.	Чувствительность к внешним электромагнитным шумам.
Компактность и простота интеграции в MEMS.	Сложность технологии изготовления.
Широкий рабочий диапазон.	Ограниченная механическая прочность.