单电容式及差分电容式MEMS传感器检测系统 作者：郭斌陈士清中科院上海微系统与信息研究所传感器国家重点实验室（上 海200333) 时间：2008-03-13来源：电子产品世界 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。 关键词：电容式传感器；MEMS;信号调理；检测电路 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。 (a)单电容传感器 (b)差分电容传感器 图1单电容式和差分电容式传感器 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：
单电容式及差分电容式 MEMS 传感器检测系统 作者：郭斌 陈士清 中科院上海微系统与信息研究所 传感器国家重点实验室(上 海 200333) 时间：2008-03-13 来源: 电子产品世界 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。 关键词：电容式传感器；MEMS；信号调理；检测电路 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。 (a) 单电容传感器 (b) 差分电容传感器 图 1 单电容式和差分电容式传感器 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：
CEEoA 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。 Co do 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 C-EA 是一条曲线： do
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△d时，且△d<d0 C+△C- E04 1 d。-△d -Co1-Ad/do (1) 由(1)式可得： 尝尝 (2) ACAd 当△d/d0<<1时，得到进似的线性关系C。d,: 电容传感器的灵敏度： K=△C/C≈1 △ddo (3) △C△d,,△d 1+ c。dd 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： △d/d)H ×100%=Ad/d×100% △d/d (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
当 d0 减小Δd 时，且Δd< d0 (1) 由(1)式可得： ( 2 ) 当Δd/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△d时，电容C1 的间隙d1变为d0-△d,电容C2的间隙d2变为d0+△d。 △C=2M 当△d/d0≤1时，得到进似的线性关系C。d,: K= 2AC/C≈2 △d 差动电容传感器的灵敏度 do 差动电容传感器的相对非线性误差： ad/d。) ×100%=(△d/d)×100% (△d/d) (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，目前己 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 1 f= 频率 2R,Cx in(Rs/Rs) 。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
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Δd 时，电容 C1 的间隙 d1 变为 d0-Δd，电容 C2 的间隙 d2 变为 d0+Δd。 当Δd/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C×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C×,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。 Rf +15 Rs OP37 ￡方波 15v 2 R4 图3方波发生器电路 C1 Cx 被转换的电容 Cx U(s AD79 -AD797 5 U1(s) 4.07m 图4由RC和运算放大器组成的电容性有源网络 11 用有网络代替CX,可构成电容一频率转换器： Cx C-aQ2 Cx式中
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