传感器探头设计

电容传感器探头设计

1.选材与加工

温度变化会使电容传感器各部分的几何尺寸和介电常数发生变化，而湿度也会影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值，因此必须进行正确的选材以及采用精细的加工工艺，以减小环境温度,湿度等变化产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能。

一般的,电容传感器的金属电极选用温度系数低的铁镍合金或陶瓷等材料，也可在陶瓷或石英等非金属材料上喷镀金或银，传感器内电极应加以密封，以防尘防，传感器电极的支架应具有一定的机械强度和稳定性能，并要有较高的绝缘电阻，如石英、云母及陶瓷等。另外，传感器的电介质宜采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的电介质。

2.消除减小边缘效应

边缘效应会影响电容传感器的灵敏度和线性度，必须尽量消除或减小，为了减小边缘效应，可以通过减小极间距来实现，使传感器的极板直径远大于极板间距，但这种方法容易产生击穿，而且会限制测量范围"目一前常用的消除边缘效应的方法是使用等位环技术。并且在测量过程中应尽量避免极板间的振动，以保证测量结果的正确性。

3.探头设计

在设计电容传感器探头时，首先需要考虑探头极板的形状，根据对平板电容电场边缘效应的研究，对四种面积相等而形状不同的平板电容缘效应进行比较，其从大到小的顺序为：正三角形、正方形、正六边形、圆形。因此可知圆形电极的极板边缘效应最小，故在本设计中使用圆形的探头结构。

等位环

图1容传感器探头平面结构图

图1为本设计的电容传感器探头平面结构图，探头表面由一个圆形测量极板和两个同心金属圆环组成。两个同心圆环分别为等位保护环和地屏蔽环，三部分通过绝缘层相隔。等位保护环利用了等位技术，使其与中心测量极板等电位，转移了边缘效应，保证了测量极板内的电势分布均匀。地屏蔽环利用了法拉第屏蔽原理，即如果导体笼内部存在电荷时，将导体接地，与地球相连接，成为一个大导体，则导体笼的表面所感应的电荷几乎不受内部电荷的影响，从而隔绝了内外电场之间的影响，避免外界的电磁干扰。

电容传感器的机械尺寸决定了薄膜测厚仪的分辨率及抗干扰特性。因此，在进行机械设计时，首先要选定传感器的基本参数：

1、传感器测量极板的半径

电容传感器测量极板的面积不宜过大或过小。当极板面积过大时，虽然增加了电容传感器的电容量，降低了对测量电路的要求，但这会造成测量区域内薄膜厚度的平均化，从而降低测量灵敏度，当测量薄膜局部不均匀时，就会因电容传感器的相对变化量较小而难以检测。而极板面积过小，会增加检测电路的设计难度。考虑到实际应用要求，本方案设计的测量极板半径为R=2.5cm 。由于系统所需测量的薄膜厚度最大值为1mm ，故选取电容传感器的极板间距d=1.5mm 。当传感器探头内无薄膜时，可以根据上述参数计算出电容传感器的最小电容值C min

为

pF d R C 59.112

0min ≈=επε

2、等位保护环的宽度

理论上，等位环的外径越大越好，因为其宽度越大，边缘效应对有效测量范围内的电场影响越小；内径与电容测量极板的边缘越接近越好，因为其距离越近，越接近于理想模型。但在实际应用时，限于传感器的尺寸，等位环的外径不可能无限大，同时为保证与测量极板间良好的绝缘性，内径也不可能过于接近测量极板。参考国内外传感器探头的设计参数，等位环的宽度应大于极板间距d 的5倍以上。即在设计中应选取的等位环宽度大约为 8mm ，等位环外径为 70mm 。 工作原理

薄膜厚度检测工作原理为：根据电容传感器两极板间插入的薄膜厚度不同，会引起极板间介质的介电常数发生变化，使得传感器的电容量随之改变。通过对电容量的检测，当被测薄膜厚度发生变化时，电容传感器的电容量就会发生变化，通过MXT9030电容-电压转换电路,将信号转换为直流电压信号，送入单片机进行A/D 转换，单片机对采集到的数据进行处理，MCU 将运算结果处理后发送至红色LED 数码管显示，最后得出与传感器变化相符的薄膜厚度值。

电容传感器探头和下级板的理想等效模型为平板电容器。设电容器极板的有效面积为S ，极板间距为H ，薄膜厚度为d ，被测薄膜位于两电容极板之间，若薄膜距上极板的距离为x ，则薄膜到下级板的距离为H − d – x ，如图2所示

图2电容传感器探头示意图

根据电容公式，电容传感器的初始电容为

H S C εε00=

放入薄膜后，电容量为

r d d

H S

C εεεε00+-=

所以可以推出薄膜厚度为

εεεεεε000--=r H C S d

其中S ，H ，0ε均为常数，ε为空气相对介质常数，若薄膜固定，r ε也为常数。

通过MXT9030，C/V 转换器的输出电压为

()()

COMP VSS REF REF VDD m C C C V V C V V C V -+-⋅--⋅=2121

其中，

pF C C C DEN NOM COMP 22⋅=

如果0=VSS V ,2/VDD REF V V =,那么

REF COMP m V C C C C C V ⋅-+-=2121

增益级的失调由寄存器ROFF 来调节控制

[]()()()

[]732270.419761391+⋅Ω-⋅--⋅+Ω=k R V V V V k R V OFF VSS REF REF VDD OFF OFF

将传感器电容值和微控制器配置参数代入以上公式，即可求出电路的最终输出。当薄膜的厚度发生变化时，电容值随之改变，通过传感器测量电路可以得到与厚度相关的电压值，由主控单片机进行处理后就可以得到当前的薄膜厚度。 由于这只是个方案，具体过程还未实施不能准确的说出能测得的薄膜信息，薄膜厚度的测量范围需要我们将以上都实施的情况下进行标定。