MEMS電容式壓力傳感器檢測電路比較研究

黃雨濛，戚昊琛，胡智文，張 鑒

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥 230009;2.浙江傳媒學(xué)院新媒體學(xué)院，浙江杭州 310018)

微電子機械系統(tǒng)(Micro Electromechanical System，MEMS)是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信與電源于一體的微型機電系統(tǒng)［1］。

電容式壓力傳感器是MEMS技術(shù)的典型代表，其具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、響應(yīng)快［1］等優(yōu)點，在微傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。隨著近年來理論技術(shù)和元器件工藝上的不斷進步，國內(nèi)外MEMS微電容傳感器在類型、原理、檢測和變換電路方面均得到了快速發(fā)展。電容式壓力傳感器借助于各種信號調(diào)節(jié)電路，將微小的電容增量轉(zhuǎn)換為與之成正比的電壓、電流或頻率輸出。針對不同的應(yīng)用場合，所采取的激勵方式及其變換原理、電路結(jié)構(gòu)、元件的不同，微電容傳感器有不同的分類［2－3］。

1 電容式壓力傳感器的基本工作原理

圖1 平行板電容器結(jié)構(gòu)原理圖

其中，ε為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù);S為兩平行極板覆蓋的面積;d為兩平行極板間的距離;C為電容量。

當(dāng)被測參數(shù)使得式中的S，d或ε發(fā)生變化時，電容量C也隨之變化。根據(jù)改變電容器的不同參數(shù)，電容傳感器可分為變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式3類。這3種方式通常分別對應(yīng)壓力傳感器μm數(shù)量級的位移、cm數(shù)量級的位移和適用于液面、厚度的測量。

2 分類與結(jié)果

2.1 脈寬調(diào)制法

差動脈沖調(diào)寬電路也稱為差動脈寬調(diào)制電路，利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量的變化而發(fā)生改變。通過低通濾波器便可得到對應(yīng)被測量變化的直流信號。圖2為差動脈沖調(diào)寬［5－7］電路原理圖。

輸出直流電壓U0為

圖2 差動脈沖調(diào)寬電路原理圖

其中，C1，C2為傳感器的差動電容，A1，A2為兩個比較器，Ur為其參考電壓。根據(jù)公式可得，輸出的直流電壓與傳感器的兩電容差成正比。

差動脈寬調(diào)制電路理論上具有良好的線性特性，可適用于任何差動式電容式傳感器，且抗干擾能力強，外界干擾對脈寬影響較?。?－9］。此外，其對元件無線性要求，經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，并對輸出矩形波的純度要求較低等優(yōu)點［10］。但其也存在對稱性要求過高，要求直流電源電壓穩(wěn)定度高等缺點。

2.2 運算放大器法

該電路的最大優(yōu)點是能克服變極距型電容傳感器的非線性及采用虛地法驅(qū)動電纜屏蔽，解決了1∶1放大器難以實現(xiàn)中和電路對寄生電容的跟蹤問題［7－8］。由于運算放大器倍數(shù)較大，且輸入阻抗Zi過高，使得該方法成為電容式壓力傳感器中較為理想的測量電路。如圖3所示為基本的運算放大器式電路，其由傳感器電容Cx、固定電容C0以及運算放大器A組成。

圖3 運算放大器電路

式中，負(fù)號說明輸出電壓與電源電壓反相［2］。

運算放大器電路具有可在一定程度上克服非線性、低溫漂和高信噪比的優(yōu)點。同時，也存在靈敏度和穩(wěn)定性受信號源影響的缺點。要求必須采取穩(wěn)壓措施，固定電容C0必須穩(wěn)定。

采用下沉式綠化帶，可以降低地表徑流流速，減小徑流流量，從而起到調(diào)蓄洪峰流量的作用。此外，通過下沉式綠地，土壤能夠?qū)⒂晁畯搅髦械亩鄶?shù)懸浮顆粒污染物和部分溶解態(tài)污染物去除。

2.3 電荷注入法

電容是衡量導(dǎo)體儲存電荷能力的物理量。在兩個相互絕緣的導(dǎo)體上，加上一定的電壓，其就會儲存一定的電量［7］?；陔姾煞糯笤恚?0］的電容測量電路，如圖4所示。該電路通過測量極板上的激勵信號感應(yīng)出的電荷量，從而得到所測電容值。

圖中USC是電壓輸出信號

圖4 基于電荷放大原理的電容測量電路

圖4中Cx為被測電容，其左側(cè)極板為激勵電極，右側(cè)極板為測量電極;Cas和Cbs表示每個電極所有雜散電容的等效電容;Cas由激勵信號源驅(qū)動，其存在對流過被測電容的電流無影響。電容Cbs在測量過程中始終處于虛地狀態(tài)，兩端無電壓差，因而其也對電容測量無影響，故整個電路對雜散電容的存在不敏感。

電荷注入法具有輸出直流穩(wěn)定信號，提高數(shù)據(jù)采集速度的優(yōu)點。同時，也具有較強的抗雜散電容能力，良好的測量線性度，且適用于動態(tài)測量。但存在需要采取措施克服一定開關(guān)電荷注入效應(yīng);由于連續(xù)充放電，測量信號中易產(chǎn)生脈動噪聲，需濾波處理等缺點。

2.4 調(diào)頻法

采用調(diào)頻電路是將電容式傳感器作為振蕩器電路的一部分，當(dāng)被測變量使電容量發(fā)生變化的同時，振蕩頻率也相應(yīng)的發(fā)生變化［2－3，7］。檢測電路原理如圖 5所示。傳感元件C0接在LC振蕩回路中，當(dāng)傳感器的電容變化ΔC時，振蕩頻率也隨之發(fā)生改變，進而完成了將傳感器的敏感電容向頻率轉(zhuǎn)化的過程。

圖5 電容式傳感器調(diào)頻電路原理圖

當(dāng)有被測信號使振蕩器頻率發(fā)生改變，就會產(chǎn)生相應(yīng)的改變量Δf

其中，L為振蕩回路的電感;C0為傳感器的初始電容、振蕩回路的固有電容傳感器引線分布電容的綜合部分，ΔC為變化的電容量;f0為固有頻率;f'0為變化后頻率;Δf為變化的頻率。

將電容的改變轉(zhuǎn)化成頻率的變化，通常采用構(gòu)造可變振蕩器的方法實現(xiàn)。形式一般有兩種，諧波振蕩器以及利用張弛振蕩器。通過實際測量比較，方波輸出比正弦波輸出。具有更強的抗干擾能力，波形不宜衰減，且更易采用單片機來測量輸出頻率。因此采用恒流源和施密特觸發(fā)器構(gòu)成張弛振蕩器的振蕩模塊，這是普遍采用的方法。

當(dāng)恒流源為理想電流源，且電路偏置得當(dāng)，則充電電流=放電電流=I，可得傳感器的電容與輸出頻率的關(guān)系為

其中;fs為轉(zhuǎn)化頻率;Cs為恒流源輸出電容;VH、VL分別為施密特觸發(fā)器的高低閾值電平。

采用差頻電路，將較大的零壓電容轉(zhuǎn)換的信號濾除，在提高電路分辨率的同時，減少了電路的噪聲，并降低了電源電壓波動、溫度變化對電路性能的影響。固定基頻fck=250 kHz，仿真結(jié)果如圖6所示，處理后的頻率整體下移100 kHz以下。

圖6 輸入頻率與輸出關(guān)系

將電容的變化轉(zhuǎn)化為輸出頻率的變化時，頻率測量可直接給出數(shù)字輸出，而無需使用基于電壓的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)?？勺冾l率信號具有大的動態(tài)范圍，因電壓飽和或電壓噪聲不會對動態(tài)范圍進行限制，尤其是在低電源電壓系統(tǒng)時。此外，在近距離遙測中，可變頻率信號比電壓信號能承受更大的干擾。因此，將電容傳感器構(gòu)成振蕩器，通過檢測振蕩頻率的變化來考察傳感器的電容變化，是一個理想方案。但此電路較復(fù)雜，穩(wěn)定性稍差，且需要采用措施消除溫度和寄生電容的影響［6］。

2.5 AC運放法

圖7 交流電容測量原理電路

在實際應(yīng)用中，激勵信號并不是理想的穩(wěn)壓電源，當(dāng)激勵信號的內(nèi)阻為Ri時，電路中僅考慮雜散電容Cs1，此時輸出為當(dāng)且僅當(dāng)Ri=0，電路輸出為理想電壓V0。且運算放大器并非理想運放，其電壓放大倍數(shù)Aod、rid輸入阻抗較大，但均是有限值，即Aod=∞且rid=∞，此時輸出V'o=相 對 誤 差 δv=。可看出，雜散電容Cs2也影響輸出，且Aod越大，精度越高。因此在實際應(yīng)用中，檢測級和放大級電路中，運算放大器的選擇極為重要，能滿足信號不失真的放大，且應(yīng)具有足夠?qū)挼脑鲆鎺挿e和較好的交流特性。本文推薦BB公司的OPA，選取被測電容Cx變化范圍是1～7.8 pF，在該仿真電路中，調(diào)整被測電容Cx的大小，觀察輸出波形變化。電容值改變到最小值1.0 pF，觀察輸出波形圖，讀取此時的電壓值。重復(fù)仿真實驗，依次將被測電容值在1～7.8 pF范圍內(nèi)取8組數(shù)據(jù)進行仿真，其仿真結(jié)果如表1所示。

表1 輸出電壓與測試電容之間的關(guān)系表

應(yīng)用最小二乘法擬合Cx－V曲線如圖8所示。根據(jù)測試結(jié)果電路靈敏度約為(6.788－2.287)/(3.0－1.0)=2.25 V/pF。

圖8 Cx－V標(biāo)定曲線

采用AC運放法具有動態(tài)范圍大，測量范圍足夠?qū)?，低漂移，穩(wěn)定性良好，線性度好，測量靈敏度高;且具有較強的抗雜散電容的能力，能消除漏電導(dǎo)的影響等優(yōu)點。在現(xiàn)階段測量皮法級的電容主要有以下問題:(1)雜散電容通常要比被測電容高，被測量時常被淹沒在干擾信號中。(2)測量電路一般使用一定量的電子開關(guān)，但電子開關(guān)的電荷注入效應(yīng)對測量系統(tǒng)的影響難以消除。(3)由于測量對象的快速多變性，需要較高的數(shù)據(jù)采集速度，但采集速度和降低噪聲的矛盾難以解決，濾波器的存在成為提高數(shù)據(jù)采集速度的瓶頸等問題。AC運放電容測量電路被認(rèn)為是電容測量最精確且最穩(wěn)定的測量方法。

3 結(jié)束語

詳細(xì)介紹了5種可用于微電容檢測的電路實現(xiàn)原理與方式，信號變換有電容－電壓、電容－頻率變換等方案，載波波形有方波和正弦波等形式，應(yīng)針對不同應(yīng)用情況加以權(quán)衡處理和解決。其中，調(diào)頻法和AC運放電容檢測電路由于其測量原理簡單，且具有較高的靈敏度和穩(wěn)定度，電路分辨度高且抗雜散能力強的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對高精度信號調(diào)理技術(shù)的要求也越來越高。由于傳感器輸出的信號通常存在溫度漂移，非線性及高噪聲等問題。因此，電路設(shè)計的優(yōu)化程度將成為未來檢測電路優(yōu)化和設(shè)計的重點。如何選擇合適的測量電路實現(xiàn)形式，測得更精確的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)溫度補償，提高抗干擾能力是當(dāng)前的研究趨勢。

［1］王雷，王保良，冀海峰，等.電容傳感器新型微弱電容測量電路［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2002，12(4):273 －277.

［2］蒙文舜，楊運經(jīng)，劉云鵬.電容傳感器的原理及應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2003(7):165－201.

［3］周珊.壓力傳感器及其應(yīng)用實例［J］.科學(xué)大眾:科學(xué)教育，2009(10):56－62.

［4］Ashcan Sahrawi，Hussein Gossein.A high precision method for measuring verysmall capacitance changes［J］.Review of Scientific Instruments，1999，9(8):3483 －3487.

［5］Filanovsky I M，Baltes H.CMOSSchmitt trigger design［J］.IEEE Transactions on Circuits and System－1:Fundam Ental Theory and Applications，1994，41(1):46 －49.

［6］Liu Chang.微機械系統(tǒng)基礎(chǔ)［M］.黃慶安，譯.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［7］Arency R P，Webster JG.傳感器和信號調(diào)節(jié)［M］.2版.張倫，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［8］Apian Errant.Small capacitance measuring circuit for capacitive sensors［M］.Bangkok，Thailand:Institute of Technology，2001.

［9］周閔新.CMOS工藝兼容電容式絕對壓力傳感器的設(shè)計［D］.南京:東南大學(xué)，2003.

［10］劉娜.單片集成CMOS電容式壓力傳感器的設(shè)計、制備與測試［D］.南京:東南大學(xué)，2005.