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單電容式及差分電容式MEMS傳感器檢測系統 摘要：傳感器技術(shù)是信息社會(huì )的四大支柱之一，傳感器和計算機結合形成的智能系統大大的拓展了人類(lèi)生活的空間。在傳感器家族中，根據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，尤其是微小電容檢測的精度，是目前測控技術(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電路，該套電路可測物體的運動(dòng)加速度，加速度計的分辨率可達2-18。 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。 圖1 單電容式和差分電容式傳感器 (a) 單電容傳感器 (b) 差分電容傳感器 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。對圖1(a)而言，當忽略電容器的邊界效應時(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。 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(xiàn)圖 單電容傳感器的一個(gè)極板固定，稱(chēng)為靜極板，另一極板與被測物體連接為動(dòng)極板。差分電容傳感器的上下極板均固定，稱(chēng)為靜極板，中間極板為動(dòng)極板。當被測物體移動(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(xiàn)： 當d0減小Dd時(shí)，且Δd＜ d0 (1) 由(1)式可得： 當Dd/d0＜＜1時(shí)，得到進(jìn)似的線(xiàn)性關(guān)系； 電容傳感器的靈敏度： 如果考慮到(2)式中的線(xiàn)性項和非線(xiàn)性項： ； 電容傳感器的相對非線(xiàn)性誤差： 從(3)式可以看出，要提高靈敏度，應減小電容起始間隙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，電容傳感器的相對非線(xiàn)性誤差增加。 為提高傳感器的靈敏度K，提高精度、減小非線(xiàn)性誤差&，電容傳感器大都采用差動(dòng)式結構。在差分電容傳感器中，當動(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Dd/d0≤1時(shí)，得到進(jìn)似的線(xiàn)性關(guān)系 差動(dòng)電容傳感器的靈敏度 差動(dòng)電容傳感器的相對非線(xiàn)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，相對非線(xiàn)性誤差減小了一個(gè)數量級。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范圍內頻響線(xiàn)性度好，將來(lái)可做成微麥克風(fēng)代替柱節式壓力傳感器，用在手機里。差分電容傳感器在0Hz-1KHz范圍內頻響線(xiàn)性度好，目前已廣泛應用在低頻地震波檢測上。 單電容傳感器調理電路 傳統的電容檢測方法有電荷轉移法和脈寬調制法，電荷轉移法常用于單電容檢測，脈寬調制法常用于差分電容檢測。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，則f是Cx(x)函數，可根據測定f占空比，計算出Cx(x)的值。實(shí)際上，圖3電路僅可測量靜態(tài)電容，對于測量動(dòng)態(tài)電容，必須對電路進(jìn)行改進(jìn)， 對Cx的電荷轉移過(guò)程進(jìn)行保護。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，可構成電容—頻率轉換器： 式中。 電容—頻率轉換器輸出頻率： ； 式中 Rf 、C1、C2、R5、R6為常數。 該電路靜態(tài)諧振頻率一般以38KHz"40KHz為好。 差分電容傳感器調理電路 目前流行的MEMS器件加速度計，其傳感器原理一般基于差動(dòng)電容。加速度計主要由質(zhì)量彈性元件、位移測量系統及信號調理電路構成，可以根據測量DC 得到物體的運動(dòng)速度和加速度。 圖5 MEMS電容式振動(dòng)加速度傳感器 如圖5所示，中間極板(即橫梁的伸出部分)與二個(gè)固定的外極板組成差動(dòng)電容 CS1和CS2。沒(méi)有加速度時(shí)，CS1=CS2；產(chǎn)生加速度時(shí)，橫梁的移動(dòng)改變了中間極板和固定的外極板之間的相對位置，引起電容變化，CS1≠CS2。通過(guò)測量電路，將電容的變化在外加交流電壓的激勵下轉化為電學(xué)量，能夠測得該物體相應的瞬時(shí)速度或瞬時(shí)加速度值。 圖6 交直流激勵差分電容振動(dòng)加速度傳感器調理電路方框圖 圖7 交直流激勵的差分電容振動(dòng)加速度傳感器的調理電路 具體電路如圖7所示：U0(MAX038)信號發(fā)生器芯片產(chǎn)生1MHz的正弦交流信號；U1(AD797)運算放大器組成反相比例放大器，U2(AD797)運算放大器組成同相比例放大器。1MHz的交流信號經(jīng)U1、U2后，變?yōu)榇笮∠嗟�、方向相反、相位相�?80o的二個(gè)交流激勵信號，用來(lái)激勵差分電容傳感器；U4(AD745JR)是高輸入阻抗電荷轉移放大器。U4是調理電路的中心，在外加激勵信號的作用下，傳感器振動(dòng)引起的電荷轉移成電壓信號的變化。R12、R13、R14采用T型連結，目的是提升電路阻抗和電路系統放大倍數。U6(AD797)運算放大器是 將C11、R16組成的高通濾波器去除低頻干擾后的電壓信號經(jīng)適當放大，為下一步同步解調作好準備；U3(AD797)運算放大器組成的移相電路，其作用是使調制信號和解調信號同步；U5同步解調器，采用ADI公司生產(chǎn)的平衡解調器AD630，經(jīng)U5同步解調出的電壓信號就是反應振動(dòng)加速度大小的信號；U9(OP137)運算放大器組成二階有源低通濾波器，濾除信號中高頻噪音成份；U10(OP177)運算放大器組成 跟隨器，信號經(jīng)調整后跟隨輸出。 U7(OP137)運算放大器組成反饋AGC回路，將振動(dòng)加速度信號的輸出信號反饋回源極，使動(dòng)極板產(chǎn)生和加速度方向相反的靜電力，目的是增加加速度計的靈敏度和帶寬。該套加速度計的分辨率為2-18。 激勵信號采用正弦交流信號而不用方波信號，是因為方波信號為離散信號沒(méi)有連續性，解調時(shí)易產(chǎn)生尖峰脈沖雜波，雜波不易濾除，并且貫穿整個(gè)電路，影響測量分辨率。 |
