單電容式及差分電容式MEMS傳感器檢測(cè)系統(tǒng)

摘要：傳感器技術(shù)是信息社會(huì)的四大支柱之一，傳感器和計(jì)算機(jī)結(jié)合形成的智能系統(tǒng)大大的拓展了人類(lèi)生活的空間。在傳感器家族中，根據(jù)電容的物理特性制作的傳感器占有重要地位。電容傳感器是很好的狀態(tài)傳感器，可提高電容檢測(cè)，尤其是微小電容檢測(cè)的精度，是目前測(cè)控技術(shù)的熱點(diǎn)。本文重點(diǎn)介紹一套微小電容差分高精度檢測(cè)電路，該套電路可測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)加速度，加速度計(jì)的分辨率可達(dá)2-18。

關(guān)鍵詞：電容式傳感器；MEMS；信號(hào)調(diào)理；檢測(cè)電路

電容式傳感器工作原理

 　　電容式傳感器分單電容式和差分電容式二種。如圖1所示。
　
(a) 單電容傳感器
(b) 差分電容傳感器
圖1  單電容式和差分電容式傳感器

　　圖1(a)為兩平行板組成的電容器，圖1(b)為兩平行板中間插入極板組成的差分電容傳感。對(duì)圖1(a)而言，當(dāng)忽略電容器的邊界效應(yīng)時(shí)：

　　電容器的電容量為：　

　　式中A為電容器的極板面積，d為極板的距離，er、e0為介電常數(shù)。

　　電容傳感器中的變間隙式電容傳感器的C-d特性如圖2所示。
　
圖2  變間隙式電容傳感器的C-d特性曲線圖

　　單電容傳感器的一個(gè)極板固定，稱為靜極板，另一極板與被測(cè)物體連接為動(dòng)極板。差分電容傳感器的上下極板均固定，稱為靜極板，中間極板為動(dòng)極板。當(dāng)被測(cè)物體移動(dòng)時(shí)動(dòng)極板跟隨移動(dòng)，就改變了極板間的電容量C，可知C-d特性是一條曲線：

　　當(dāng)d0減小Dd時(shí)，且Δd< d0　
(1)
　　
　　由(1)式可得：
　( 2 )

　　當(dāng)Dd/d0<<1時(shí)，得到進(jìn)似的線性關(guān)系；

　　電容傳感器的靈敏度：
　(3)
　
　　如果考慮到(2)式中的線性項(xiàng)和非線性項(xiàng)：；

　　電容傳感器的相對(duì)非線性誤差：
　(4)

　　從(3)式可以看出，要提高靈敏度，應(yīng)減小電容起始間隙d0 ，但d0的減小受到電容器擊穿電壓的限制，不僅加工精度要求高，電容傳感器的相對(duì)非線性誤差增加。

　　為提高傳感器的靈敏度K，提高精度、減小非線性誤差&，電容傳感器大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。在差分電容傳感器中，當(dāng)動(dòng)極板的移動(dòng)距離為Dd時(shí)，電容C1的間隙d1變?yōu)閐0-Dd，電容C2的間隙d2變?yōu)閐0+Dd。

　　當(dāng)Dd/d0≤1時(shí)，得到進(jìn)似的線性關(guān)系；

　　差動(dòng)電容傳感器的靈敏度；

　　差動(dòng)電容傳感器的相對(duì)非線性誤差：
　(5)

　　可見(jiàn)，電容傳感器采用差動(dòng)方式之后，靈敏度提高了一倍，相對(duì)非線性誤差減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。與此同時(shí)，差動(dòng)電容傳感器突出優(yōu)點(diǎn)是最大限度地減小環(huán)境影響所造成的誤差。

　　就MEMS單電容式和差分電容式傳感器而言，單電容式傳感器在50Hz~20KHz范圍內(nèi)頻響線性度好，將來(lái)可做成微麥克風(fēng)代替柱節(jié)式壓力傳感器，用在手機(jī)里。差分電容傳感器在0Hz-1KHz范圍內(nèi)頻響線性度好，目前已廣泛應(yīng)用在低頻地震波檢測(cè)上。

單電容傳感器調(diào)理電路

　　傳統(tǒng)的電容檢測(cè)方法有電荷轉(zhuǎn)移法和脈寬調(diào)制法，電荷轉(zhuǎn)移法常用于單電容檢測(cè)，脈寬調(diào)制法常用于差分電容檢測(cè)。圖3是方波發(fā)生器電路，產(chǎn)生的方波頻率。如果 Rf 為常數(shù)，則f是Cx(x)函數(shù)，可根據(jù)測(cè)定f占空比，計(jì)算出Cx(x)的值。實(shí)際上，圖3電路僅可測(cè)量靜態(tài)電容，對(duì)于測(cè)量動(dòng)態(tài)電容，必須對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)， 對(duì)Cx的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程進(jìn)行保護(hù)。改進(jìn)的方法是用電容性有源網(wǎng)絡(luò)在電路中來(lái)代替Cx，如圖4所示。U3是電荷轉(zhuǎn)移放大器，是網(wǎng)絡(luò)的中心；U2是跟隨器；U4是保持器，電路靜態(tài)諧振頻率以38KHz~40KHz為好。

　
圖3  方波發(fā)生器電路
　
圖4  由RC和運(yùn)算放大器組成的電容性有源網(wǎng)絡(luò)

　　用有網(wǎng)絡(luò)代替Cx，可構(gòu)成電容—頻率轉(zhuǎn)換器：

式中。

　　電容—頻率轉(zhuǎn)換器輸出頻率：
；

　　式中  Rf 、C1、C2、R5、R6為常數(shù)。

　　該電路靜態(tài)諧振頻率一般以38KHz~40KHz為好。