单电容式及差分电容MEMS传感器电路检测系统.doc

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% =|Δｄ/ d0 |Χ100% --------------------(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-+()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，可根据测定f占空比，计算出C（x）的值，图三电路可很容易和计算机接口，该非电量信号转换为电量的过程可称为电容脉宽调制。实际，图三电路理论上也仅可测量静态电容，对要求要测量动态电容，须对图三进行改造，检测中需要对Cx的电荷转移过程进行保护。改造的方法是：用电容性有源网络在电路中来代替Cx，如图四：U3是电荷转移放大器，是网络的中心；U2跟随器；U4是保持器 。该电路静态谐振频率38KHz—40KHz为好。
图四RC和运算方大器组成电容性有源网络：

（ 图 四 ）
用上源网络代替Cx，就可得一个很好的电容—频率转换器：
Z（s）= = ; 其中式中 C=C1；
电容—频率转换器输出频率： f = = ;
式中 Rf 、C1、C2、R5、R6 ------ 常数。
电路系统误差仅须考虑器件误差。。该电路静态谐振频率一般38KHz—40KHz为好。

图五 单电容检测调理电路图：

（ 图 五 ）
3）差分电容传感器调理电路的实现：
差分电容传感器检测电路，在这分析一个 MEMS加速度计现流行的，科技较前沿的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。位移测量系统的基本工作原理常是利用电容变化的物理特性。结论：可以根据测量△C 知到物体的运动速度和加速度，他们具有微分关系。
图六 MEMS电容式振动加速度传感器结构图：

（图 六）
图六, 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 。可通过一定的测量电路，将电容的变化，在外加交流电压的激励下转化为电学量，电压或电流输出，通过测量电学量就能够测得该物体相应的瞬时速度或瞬时加速度值。
图七 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 七 ）
如图八所示， 差分电容振动加速度传感器（属无源传感器）需在外加电压的作用下方能将振动信号调制为电信号输出。由于差分电容振动加速度传感器属电容性器件，有隔直通交作用，所以不能用直流信号作激励源，只能采取交流激励法将振动信号调制在交流激励信号之上；将调制信号适度放大，使之有了抗杂波和分辨的能力，再经同步解调，解调出能反应振动加速度大小的电信号；电信号再经过二阶低通滤波器，滤除高频成分；最后 信号经调整，经跟随器输出。该套电路在开环的基础上有选择地增加了AGC控制回路，拟增加传感器的灵敏度和带宽，压低噪声。
具体电路如图六所示：采用芯片U0（ MAX038）信号发生器芯片产生 1M Hz 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） 运算放大器组成反同相比例放大器。1M Hz的交流信号经 U1，U2 后，变为大小相等，方向相反，及相位相差为 1800 的 二个交流激励信号，用该交流激励信号激励差分电容传感器；U4（AD745JR）是高输入阻抗电荷转移放大器，该放大器的特点是具有很高的输入阻抗，漏电电流极小（注：MEMS电容传感器△C一般只有1—4p，漏电对传感器的精度影响很大），提高系统精度。U4是调理电路的中心，它是将在外加激励信号的作用下，传感器振动引起的电荷的变化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，提高电路系统放大倍数。U6（AD797）运算放大器是 将C11、R16组成的高通滤波器已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;本传感器调理电路的同步解调器所采用的芯片为 美国 AD 公司生产的平衡解调器U5 AD630），所谓 平衡解调器是指：调制信号被解调出的结果只和调制信号的相位、频率有关而和调制信号的幅值无关；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，电压信号经二阶低通滤波器，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， 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比例后反馈回源极，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。
图 八 交直流激励差分电容振动加速度传感器调理电路：

( 图 八 )
（注：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，解调时易产生尖顶脉冲过冲杂波，该尖顶脉冲过冲杂波不易滤除，贯穿整个电路，影响电路分辨率）
本文的创新点：
传感器技术是信息社会的一大支柱，根据电容的物理特性制作的传感器在传感器家族中站有重要的地位。提高微小电容、微小电容差分检测精度，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。
本文重点讲述了一套 微小电容差分高精度检测电路，用该套电路可测物体的加速度，该套加速度计的分辨率可达 2-18。。。
本系统电路涉及 交流驱动，前置放大、阻抗匹配，同步解调，有源滤波等。通过对二个案例的介绍，以期待读者对 交、直流驱动；何时采用交流驱，动何时采用直流驱动有所理解。以期待读者对系统电路的前置放大、阻抗匹配；为什么要前置放大、阻抗匹配；怎样进行前置放大、阻抗匹配有所理解。通过对微小电容差分高精度检测电路的研究，提高模拟电路的设计水平。

作者简介：郭斌（1966－）男（汉 族），安徽省人，中科院上海微系统与信息研究所，传感器国家重点实验室副教授，硕士，1995年哈尔滨工业大学毕业，主要从事电路系统设计、研究。
Biography: Guo bing (1966----), Gender (minority ethnic) ,AH Province, ShangHai Institute of Microsystem And Information Technology Chinese Academy of Sciences ,Vice professor, Master degree, Research in the Field of Electrical Engineering and Computer Science in HUT .