單電容式及差分電容式MEMS傳感器檢測系統

摘要：傳感器技術是信息社會的四大支柱之一，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，是目前測控技術的熱點。本文重點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加速度，加速度計的分辨率可達2-18。

關鍵詞：電容式傳感器；MEMS；信號調理；檢測電路

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。
　
(a) 單電容傳感器
(b) 差分電容傳感器
圖1  單電容式和差分電容式傳感器

　　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：

　　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特性曲線圖

　　單電容傳感器的一個極板固定，稱為靜極板，另一極板與被測物體連接為動極板。差分電容傳感器的上下極板均固定，稱為靜極板，中間極板為動極板。當被測物體移動時動極板跟隨移動，就改變了極板間的電容量C，可知C-d特性是一條曲線：

　　當d0減小Dd時，且Δd< d0　
(1)
　　
　　由(1)式可得：
　( 2 )

　　當Dd/d0<<1時，得到進似的線性關系；

　　電容傳感器的靈敏度：
　(3)
　
　　如果考慮到(2)式中的線性項和非線性項：；

　　電容傳感器的相對非線性誤差：
　(4)

　　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性誤差增加。

　　為提高傳感器的靈敏度K，提高精度、減小非線性誤差&，電容傳感器大都采用差動式結構。在差分電容傳感器中，當動極板的移動距離為Dd時，電容C1的間隙d1變為d0-Dd，電容C2的間隙d2變為d0+Dd。

　　當Dd/d0≤1時，得到進似的線性關系；

　　差動電容傳感器的靈敏度；

　　差動電容傳感器的相對非線性誤差：
　(5)

　　可見，電容傳感器采用差動方式之后，靈敏度提高了一倍，相對非線性誤差減小了一個數量級。與此同時，差動電容傳感器突出優點是最大限度地減小環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范圍內頻響線性度好，將來可做成微麥克風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是方波發生器電路，產生的方波頻率。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。實際上，圖3電路僅可測量靜態電容，對于測量動態電容，必須對電路進行改進， 對Cx的電荷轉移過程進行保護。改進的方法是用電容性有源網絡在電路中來代替Cx，如圖4所示。U3是電荷轉移放大器，是網絡的中心；U2是跟隨器；U4是保持器，電路靜態諧振頻率以38KHz~40KHz為好。

　
圖3  方波發生器電路
　
圖4  由RC和運算放大器組成的電容性有源網絡

　　用有網絡代替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。

　　該電路靜態諧振頻率一般以38KHz~40KHz為好。