單電容式及差分電容mems傳感器電路檢測(cè)系統(tǒng)

1、單電容式及差分電容單電容式及差分電容MEMS傳感器電路檢測(cè)系統(tǒng)傳感器電路檢測(cè)系統(tǒng)郭斌（中科院上海微系統(tǒng)與信息研究所傳感器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）Guobing引言引言:傳感器技術(shù)是信息社會(huì)的四大支柱之一，它深入到社會(huì)生活的方方面面。傳感器和計(jì)算機(jī)結(jié)合行成的智能系統(tǒng)大大的拓展了人類生活的空間。在傳感器家族中，根據(jù)電容的物理特性制作的傳感器在家族中站有重要的地位，這是因?yàn)槲矬w的狀態(tài)變化可線性的調(diào)制成為電容的變化，電容傳感器是很好的狀態(tài)傳感器。提高電

2、容檢測(cè)，尤其是提高微小電容、微小電容差分檢測(cè)的精度，是目前中外測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域科技攻關(guān)的焦點(diǎn)，也是科技發(fā)達(dá)國(guó)家共認(rèn)的測(cè)控科技的置高點(diǎn)。如：用于飛機(jī)和航天的MEMS的陀螺角速度傳感器就是基于電容的變化原理。本文講述了一套單電容式傳感器檢測(cè)電路；另重點(diǎn)解紹了一套微小電容差分高精度檢測(cè)電路，用該套電路可測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)加速度，該套加速度計(jì)的關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：?jiǎn)坞娙菔絺鞲衅鞑罘蛛娙菔絺鞲衅髑爸梅糯笞杩蛊ヅ湫盘?hào)調(diào)理分辨率可達(dá)218。。。1）電容式傳感器工作

3、原理）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。如圖一：圖一單電容式和差分電容式傳感器原理圖：圖一單電容式和差分電容式傳感器原理圖：ddd(1)△△△△△△(2)△△△△△△△C1C2（圖一）電容器作為傳感原件，最簡(jiǎn)單的可用兩平行板組成。圖（1）為兩平行板組成的電容器，圖（2）為兩平行板中間插入極板組成的差分電容傳感。對(duì)圖（1）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：C=εrε0AC0A電容器的極板面積d極板

4、件的距離；ε、εr、ε0介電常數(shù)；電容傳感器常稱之為變間隙式電容傳感器，其原理如圖二所示：圖二圖二變間隙式電容傳感器原理圖和變間隙式電容傳感器原理圖和C—d特性曲線圖特性曲線圖d△C△d0Cdd0C0(1)△△△△△△電容傳感器的相對(duì)非線性誤差：可見(jiàn)，電容傳感器做成差動(dòng)的之后，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。一般微型的、高精度的電容傳感器都是采用差動(dòng)電

5、容傳原理。就MEMS單電容式和差分電容式傳感器而言，根據(jù)我們實(shí)驗(yàn)室研究，單電容式傳感器在50Hz—20KHz范圍內(nèi)頻響線性度好，未來(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，目前已廣泛的應(yīng)用與低頻地震波檢測(cè)上。2)2)單電容傳感器調(diào)理電路的實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)坞娙輦鞲衅髡{(diào)理電路的實(shí)現(xiàn)：傳統(tǒng)的電容檢測(cè)方發(fā)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)。圖四是

6、借見(jiàn)，結(jié)合了兩種電路，設(shè)計(jì)出的單電容檢測(cè)電路。實(shí)用，該套電路穩(wěn)定性好。圖三圖三方波發(fā)生器電路圖：方波發(fā)生器電路圖：1234567U1OP3715V15VDR4R5R6RsRfCxOutf△△（圖三）原理：圖三是方波發(fā)生器電路，產(chǎn)生的方波頻率：f=；如果Rf為常數(shù)，12RfCxln(R5R6)f是C（x）函數(shù)，可根據(jù)測(cè)定f占空比，計(jì)算出C（x）的值，圖三電路可很容易和計(jì)算機(jī)接口，該非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電量的過(guò)程可稱為電容脈寬調(diào)制。實(shí)際，圖三電

7、路理論上也僅可測(cè)量靜態(tài)電容，對(duì)要求要測(cè)量動(dòng)態(tài)電容，須對(duì)圖三進(jìn)行改造，檢測(cè)中需要對(duì)Cx的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程進(jìn)行保護(hù)。改造的方法是：用電容性有源網(wǎng)絡(luò)在電路中來(lái)代替Cx，如圖四：U3是電荷轉(zhuǎn)移放大器，是網(wǎng)絡(luò)的中心；U2跟隨器；U4是保持器。該電路靜態(tài)諧振頻率38KHz—40KHz為好。圖四圖四RCRC和運(yùn)算方大器組成電容性有源網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算方大器組成電容性有源網(wǎng)絡(luò)：1234567U2AD797Vcc1234567U3AD797Vcc1234567U4A