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单电容式及差分电容式MEMS传感器检测系统

发布日期:2020-10-06 22:47

  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。

  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:

  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特性是一条曲线减小Dd时,且d

  电容传感器的相对非线)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。

  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。

  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。

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