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单电容式及差分电容式MEMS传感器检测系统

发布时间:2020-07-21 19:24:39 阅读: 来源:船板厂家

摘要:传感器技术是信息社会的四大支柱之一,传感器和计算机结合形成的智能系统大大的拓展了人类生活的空间。在传感器家族中,根据电容的物理特性制作的传感器占有重要地位。电容传感器是很好的状态传感器,可提高电容检测,尤其是微小电容检测的精度,是目前测控技术的热点。本文重点介绍一套微小电容差分高精度检测电路,该套电路可测物体的运动加速度,加速度计的分辨率可达2-18。

本文引用地址:关键词:电容式传感器;MEMS;信号调理;检测电路电容式传感器工作原理电容式传感器分单电容式和差分电容式二种。如图1所示。(a) 单电容传感器(b) 差分电容传感器图1 单电容式和差分电容式传感器

图1(a)为两平行板组成的电容器,图1(b)为两平行板中间插入极板组成的差分电容传感。对图1(a)而言,当忽略电容器的边界效应时:

电容器的电容量为:

式中A为电容器的极板面积,d为极板的距离,er、e0为介电常数。

电容传感器中的变间隙式电容传感器的C-d特性如图2所示。图2 变间隙式电容传感器的C-d特性曲线图

单电容传感器的一个极板固定,称为静极板,另一极板与被测物体连接为动极板。差分电容传感器的上下极板均固定,称为静极板,中间极板为动极板。当被测物体移动时动极板跟随移动,就改变了极板间的电容量C,可知C-d特性是一条曲线:

当d0减小Dd时,且Δd< d0(1)由(1)式可得:( 2 )

当Dd/d0<<1时,得到进似的线性关系;

电容传感器的灵敏度:(3)如果考虑到(2)式中的线性项和非线性项:;

电容传感器的相对非线性误差:(4)

从(3)式可以看出,要提高灵敏度,应减小电容起始间隙d0 ,但d0的减小受到电容器击穿电压的限制,不仅加工精度要求高,电容传感器的相对非线性误差增加。

为提高传感器的灵敏度K,提高精度、减小非线性误差&,电容传感器大都采用差动式结构。在差分电容传感器中,当动极板的移动距离为Dd时,电容C1的间隙d1变为d0-Dd,电容C2的间隙d2变为d0+Dd。

当Dd/d0≤1时,得到进似的线性关系;

差动电容传感器的灵敏度;

差动电容传感器的相对非线性误差: (5)

可见,电容传感器采用差动方式之后,灵敏度提高了一倍,相对非线性误差减小了一个数量级。与此同时,差动电容传感器突出优点是最大限度地减小环境影响所造成的误差。

就MEMS单电容式和差分电容式传感器而言,单电容式传感器在50Hz~20KHz范围内频响线性度好,将来可做成微麦克风代替柱节式压力传感器,用在手机里。差分电容传感器在0Hz-1KHz范围内频响线性度好,目前已广泛应用在低频地震波检测上。

单电容传感器调理电路

传统的电容检测方法有电荷转移法和脉宽调制法,电荷转移法常用于单电容检测,脉宽调制法常用于差分电容检测。图3是方波发生器电路,产生的方波频率。如果 Rf 为常数,则f是Cx(x)函数,可根据测定f占空比,计算出Cx(x)的值。实际上,图3电路仅可测量静态电容,对于测量动态电容,必须对电路进行改进, 对Cx的电荷转移过程进行保护。改进的方法是用电容性有源网络在电路中来代替Cx,如图4所示。U3是电荷转移放大器,是网络的中心;U2是跟随器;U4是保持器,电路静态谐振频率以38KHz~40KHz为好。

图3 方波发生器电路图4 由RC和运算放大器组成的电容性有源网络

用有网络代替Cx,可构成电容—频率转换器:

式中。

电容—频率转换器输出频率:;

式中 Rf 、C1、C2、R5、R6为常数。

该电路静态谐振频率一般以38KHz~40KHz为好。

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