传感器结构原理与设计---第四章 电容式传感器.ppt

公式分析： δ、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C。 δ或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化； εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。 讨论： 负号表明输出与电源电压反相。 显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。 这里是假设放大器开环放大倍数A=∞，输入阻抗Zi=∞，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。 六、调频电路 电容传感器为振荡谐振回路的一部分； 输入量变化，传感器电容变化，振荡器振荡频率变化。 频率变化由鉴频器转换为振幅变化，放大输出。 可见其灵敏度是初始极板间距的函数，同时还随被测量而变化。减小δ可以提高灵敏度。但δ过小易导致电容器击穿（空气的击穿电压为3kV／mm）。可在极间加一层云母片（其击穿电压大于 103kV/mm）或塑料膜来改善电容器耐压性能。 第四节 电容式传感器举例 一、集成电容传感器 构成：运用集成电路工艺可以把电容敏感元件与测量电路制作在一起 。 核心部件：对被测量敏感的集成电容器。 （一）基本类型及工作原理 1、加速度集成电容传感器 技术应用：多晶硅表面微加工技术 。 结构组成： 三层多晶硅组成的差动电容器结构，各层多晶硅之间由气隙隔开。 顶层(第一层)和底层(第三层)是固定不动的，第二层是一个作为振动物的悬臂梁。 第一层多晶硅与第二层之间构成底层电容C1，第二层与第三层之间构成顶层电容C2。 工作原理： 当没有加速度作用时，悬臂梁处于顶层和底层的中间位置。C1 = C2，系统处于平衡状态。 当有加速度作用时，悬臂梁与顶层和底层之间产生位移，使其中一个电容器的极间距增大，而另一个的减小。 此类属于变极距型的差动电容传感器，而且电容变化量的大小与加速度成正比。 2、压力集成电容传感器 技术应用：硅腐蚀技术、硅和玻璃的静电键合以及常规集成电路工艺技术。 结构组成： 电容器的两个电极，一个处在玻璃上，另一个在硅片的薄膜上。 硅薄膜是由腐蚀硅片的正面(约几微米)和反面(约200μm)而形成的， 在硅片和玻璃键合在一起之后，就形成了具有一定间隙的电容器。 工作原理：当硅膜的两侧有压差存在时，硅膜就发生形变使电容器两极的间距发生变化，因而引起电容量的变化。 （二）转换电路 1、开关电容转换电路 结构组成：三个MOS开关、两个差动电容(即传感器电容)C1和C2以及一个反向器组成取样保持电路和积分电路。 工作原理： 振荡器产生的开关脉冲控制开关S1和S2分别将C1和C2接参考电压URef或接地，即轮流给C1和C2充电，C1和C2的电荷又转移给C3。S3为复位开关。 前半周期，开关S1接URef而开关S2接地，则形成输出电压U0为－C1URef/C3；后半周期，开关S2接URef而开关S1接地，则形成输出电压U0为－C2URef/C3。 输出电压经隔直后为一方波电压，其前后半周期的幅值差为(URef/C3)(C1－C2)。该幅值差与电容变化量成正比。 2、二极管环形检波转换电路 在激励信号的正半周，有电荷从B点通过VD2对Cx充电，同时也有电荷从A点经过VD3对C0充电。 在激励信号的负半周，Cx上的电荷经VD1向A点放电，同时C0 上的电荷也经VD4向B点放电。 即在一个周期内，有电荷QBA从B点经Cx转移到A点，同时有电荷QAB从A点经C0转移到B点。 被测压力使Cx变化，则Cx≠C0，结果QBA≠QAB。这就使A点和B点有净电荷积累出现，导致两点的直流电位一个升高U0/2、另一个降低U0/2，反过来又减少了静电荷的积累。直至达到动平衡：静电荷积累结束，QBA＝QAB。 设二极管正向导通电压Ud，则有 （三）特点与应用 特点：集成电路工艺可以把间距和尺寸做得非常小，而且还可把测量电路与敏感电容集成在一起。它具有体积小、输出阻抗小、可批量生产、重复性好、灵敏度高、工作温度范围宽、功耗低、寄生电容小等许多优点，而且非常适合于CMOS制造技术，因此近年来得到很大发展。但这种传感器如果不加适当屏蔽的话，易受电磁干扰。 应用：加速度集成电容传感器应用于机械工具监控、工业振动监控、应急检测、汽车停车控制、汽车刹车控制、设备控制等，量程为40g、灵敏度为40mV/g、线性为0.5%、带宽为400Hz。 二、容栅式传感器 主要特点：工作原理基于变面积型电容传感器。具有电容式传感器的优点，又具有多极电容的平均效应，可采用闭环反馈式等测量电路。测量精度提高（5μm），量程扩展（1m）。 应用：数显卡尺、测长机等数显量具。 容栅测量系统：栅状电容极板＋测量电路 （一）工作原理及转换电路 1、开环调幅式测量原理 组成：均匀排列的定栅；一对相同尺寸的交