单电容式及差分电容式MEMS传感器检测系统

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。

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。