单电容式及差分电容mems传感器电路检测系统

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1、单电容式及差分电容MEMS传感器电路检测系统郭斌（中科院上海微系统与信息研究所传感器国家重点实验室）Guobing引言:传感器技术是信息社会的四大支柱之一，它深入到社会生活的方方面面。传感器和计算机结合行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在家族中站有重要的地位，这是因为物体的状态变化可线性的调制成为电容的变化，电容传感器是很好的状态传感器。提高电容检测，尤其是提高微小电容、微小电容差分检测的精度，是目前中外测控技术领域科技攻关的焦点，也是科技发达国家共认的测控科技的置高点。如：用于飞

2、机和航天的MEMS的陀螺角速度传感器就是基于电容的变化原理。本文讲述了一套单电容式传感器检测电路；另重点解绍了一套微小电容差分高精度检测电路，用该套电路可测物体的运动加速度，该套加速度计的关键词：单电容式传感器差分电容式传感器前置放大阻抗匹配信号调理分辨率可达2-18。。。1）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。如图一：图一单电容式和差分电容式传感器原理图：（图一）电容器作为传感原件，最简单的可用两平行板组成。图（1）为两平行板组成的电容器，图（2）为两平行板中间插入极板组成的差分电容传感。对图（1）而言，当忽

3、略电容器的边界效应时：电容器的电容量为：C=A--------------电容器的极板面积;d--------------------极板件的距离；ε、εr、ε0--------------------------介电常数；电容传感器常称之为变间隙式电容传感器，其原理如图二所示：图二变间隙式电容传感器原理图和C—d特性曲线图（图二）电容传感器，对单电容传感器而言：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。对差分电容传感器：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

4、量C0，可知C与d的关系曲线及C—d特性曲线是一双曲线：C=。当d0减小Δd时，且Δd«d0，则电容增加量ΔC：C0+ΔC==C0-------------------------（1）;由（1）式可得：=[1++()2+()3+…]-------------------------(2);当Δd/d0〈〈1时，的到进似的线性关系≈;电容传感器的灵敏度K=≈------------------------------(3);如果考虑到（2）式中的线性项和非线性项：=（1+）；电容传感器的相对非线性误差：&=Χ100%=

5、Δｄ/d0

6、Χ

7、100%--------------------(4);有（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，当动极板的衣动距离为Δｄ时，电容C1的间隙d1变为d0-Δｄ，电容C2的间隙d2变为d0+Δｄ，它们的线性方程分别为：C1=C0[1++()2+()3+…]-------------------------(5);C2=C0[1-+(

8、)2-()3+…]-------------------------(6);电容总的变化量为：ΔC=C1-C2=C0[2+2()3+2()5+…]---------------------------（7）；电容相对变化量为：=2[1+()2+()4+…]-------------------------(8);当Δd/d0〈〈1时，的到进似的线性关系≈2；电容传感器的灵敏度K=2≈；电容传感器的相对非线性误差：&=Χ100%=（Δｄ/d0）2Χ100%--------------------(9);可见，电容传感器做成差动的之后，灵

9、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。一般微型的、高精度的电容传感器都是采用差动电容传原理。就MEMS单电容式和差分电容式传感器而言，根据我们实验室研究，单电容式传感器在50Hz—20KHz范围内频响线性度好，未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，目前已广泛的应用与低频地震波检测上。2)单电容传感器调理电路的实现：传统的电容检测方发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

10、法常用于差分电容检测。图四是借见，结合了两种电路，设计出的单电容检测电路。实用，该套电路稳定性好。图三方波发生器电路图：（图三）原理：图三是方波发生器电路，产生的方波频率：f=；如果Rf为常数，f是C（x）函数，可根据测