单电容式及差分电容式MEMS传感器检测系统

2008-05-19 16:44:55来源: 电子应用技术

  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。

  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。

  

  图1 单电容式和差分电容式传感器

  (a) 单电容传感器

  (b) 差分电容传感器

  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。

  差分电容传感器调理电路

  目前流行的MEMS器件加速度计,其传感器原理一般基于差动电容。加速度计主要由质量弹性元件、位移测量系统及信号调理电路构成,可以根据测量DC 得到物体的运动速度和加速度。

  

  图5 MEMS电容式振动加速度传感器

  如图5所示,中间极板(即横梁的伸出部分)与二个固定的外极板组成差动电容 CS1和CS2。没有加速度时,CS1=CS2;产生加速度时,横梁的移动改变了中间极板和固定的外极板之间的相对位置,引起电容变化,CS1≠CS2。通过测量电路,将电容的变化在外加交流电压的激励下转化为电学量,能够测得该物体相应的瞬时速度或瞬时加速度值。

  

  图6 交直流激励差分电容振动加速度传感器调理电路方框图

  

  图7 交直流激励的差分电容振动加速度传感器的调理电路

  具体电路如图7所示:U0(MAX038)信号发生器芯片产生1MHz的正弦交流信号;U1(AD797)运算放大器组成反相比例放大器,U2(AD797)运算放大器组成同相比例放大器。1MHz的交流信号经U1、U2后,变为大小相等、方向相反、相位相差180o的二个交流激励信号,用来激励差分电容传感器;U4(AD745JR)是高输入阻抗电荷转移放大器。U4是调理电路的中心,在外加激励信号的作用下,传感器振动引起的电荷转移成电压信号的变化。R12、R13、R14采用T型连结,目的是提升电路阻抗和电路系统放大倍数。U6(AD797)运算放大器是 将C11、R16组成的高通滤波器去除低频干扰后的电压信号经适当放大,为下一步同步解调作好准备;U3(AD797)运算放大器组成的移相电路,其作用是使调制信号和解调信号同步;U5同步解调器,采用ADI公司生产的平衡解调器AD630,经U5同步解调出的电压信号就是反应振动加速度大小的信号;U9(OP137)运算放大器组成二阶有源低通滤波器,滤除信号中高频噪音成份;U10(OP177)运算放大器组成 跟随器,信号经调整后跟随输出。

  U7(OP137)运算放大器组成反馈AGC回路,将振动加速度信号的输出信号反馈回源极,使动极板产生和加速度方向相反的静电力,目的是增加加速度计的灵敏度和带宽。该套加速度计的分辨率为2-18。

  激励信号采用正弦交流信号而不用方波信号,是因为方波信号为离散信号没有连续性,解调时易产生尖峰脉冲杂波,杂波不易滤除,并且贯穿整个电路,影响测量分辨率。

  参考文献:

  1. 刘学涛,微机械贯性传感器检测平台的设计与应用,电子应用技术,2002,10

关键字:MEMS器件  极板  非线性误差  电容检测  电路  电容传感器  差分电容式  方波信号

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2008/0519/article_172.html
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