單電容式及差分電容mems傳感器電路檢測系統(tǒng)

1、單電容式及差分電容單電容式及差分電容MEMS傳感器電路檢測系統(tǒng)傳感器電路檢測系統(tǒng)郭斌（中科院上海微系統(tǒng)與信息研究所傳感器國家重點實驗室）Guobing引言引言:傳感器技術是信息社會的四大支柱之一，它深入到社會生活的方方面面。傳感器和計算機結合行成的智能系統(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，這是因為物體的狀態(tài)變化可線性的調制成為電容的變化，電容傳感器是很好的狀態(tài)傳感器。提高電

2、容檢測，尤其是提高微小電容、微小電容差分檢測的精度，是目前中外測控技術領域科技攻關的焦點，也是科技發(fā)達國家共認的測控科技的置高點。如：用于飛機和航天的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電路；另重點解紹了一套微小電容差分高精度檢測電路，用該套電路可測物體的運動加速度，該套加速度計的關鍵詞：關鍵詞：單電容式傳感器差分電容式傳感器前置放大阻抗匹配信號調理分辨率可達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。對圖（1）而言，當忽略電容器的邊界效應時：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)△△△△△△電容傳感器的相對非線性誤差：可見，電容傳感器做成差動的之后，靈敏度提高了一倍，相對非線性誤差減小了一個數(shù)量級，與此同時差動電容傳感器突出優(yōu)點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，根據我們實驗室研究，單電容式傳感器在50Hz—20KHz范圍內頻響線性度好，未來可做成微麥克風代替柱節(jié)式壓力傳感器，用在手機里。差分電容傳感器在0Hz—1KHz范圍內頻響線性度好，目前已廣泛的應用與低頻地震波檢測上。2)2)單電容傳感器調理電路的實現(xiàn)：單電容傳感器調理電路的實現(xiàn)：傳統(tǒng)的電容檢測方發(fā)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。圖四是

6、借見，結合了兩種電路，設計出的單電容檢測電路。實用，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)，可根據測定f占空比，計算出C（x）的值，圖三電路可很容易和計算機接口，該非電量信號轉換為電量的過程可稱為電容脈寬調制。實際，圖三電

7、路理論上也僅可測量靜態(tài)電容，對要求要測量動態(tài)電容，須對圖三進行改造，檢測中需要對Cx的電荷轉移過程進行保護。改造的方法是：用電容性有源網絡在電路中來代替Cx，如圖四：U3是電荷轉移放大器，是網絡的中心；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和運算方大器組成電容性有源網絡和運算方大器組成電容性有源網絡：1234567U2AD797Vcc1234567U3AD797Vcc1234567U4A