传感器检测与运用

传感器检测与运用

题目电容式传感器的应用与发展

姓名王鑫

学院工学院

专业交通运输

班级交运114班

学号 30211418 指导老师卢伟职称讲师

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3 年 1 2 月 2 8 号

电容式传感器的应用与发展

电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种参量型传感器。电容式传感器广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中，由于形式多种多样，传感器电容值相差很大。电容式传感器可分为变面积变化式、变间隙式、变介电常数式三类。变面积变化式一般用于测量角位移或较大的线位移。变间隙式一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。变介电常数式常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。这种传感器具有高阻抗、小功率、动态范围大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等优点。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。而本文主要介绍了电容式传感器的工作原理,应用及发展趋势。

一、电容式传感器的基本工作原理

由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为

图1.1平行板电容器

ε为电容极板间介质的介电常数,ε=ε0·εr,其中ε0为真空介电常数,εr为极板间介质相对介电常数;A为两平行板所覆盖的面积;d为两平行板之间的距离。

当被测参数变化使得上式中的A，d或ε发生变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参

数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。

当动极板移动后，覆盖面积就发生了变化，电容也随之改变，下图为直线位移型电容式传感器的示意图，其为变面积式的一种。

d

A

c

ε

=

x∆

电容：

电容增量：

测量灵敏度：

此外，改变板间距d或者电介质ε，便是变间隙式和变介电常数式电容传感器结构形式，结构形式如下图所示，

图1.3变间隙式图1.4变间介电常数式

二．电容式传感器的应用行业

1. 触摸屏广泛应用于我们日常生活各个领域，如手机、媒体播放器、导航系统数码相机、PDA、游戏设备、显示器、电器控制、医疗设备等。主流的触摸屏分为电阻式触摸屏、电容式触摸屏、声表面波式触摸屏、红外线式触摸屏等。其中，红外线式和电容式触摸屏能够支持多点触控，前者由于尺寸限制和线性度不高，尚不能满足消费类产品的要求，而电容式触摸屏因其相对可接受的成本以及良好的线性度和可操作性，是目前主流的多点触控技术。在实际生活中我们接触最多的还是电阻式触摸屏，它已经被广泛的应用在手机和随身数码产品当中。但电容式触摸屏将成为发展趋势，替代电阻式触摸屏。电容式触摸屏主要有两种类型：表面式电容触摸屏和投射式电容触摸屏。

2.随着科学技术的发展, 新技术、新材料的的应用, 电容式测微仪器应用不断扩大, 尤其是在动态和在线检测方面具有极广阔的应用前景。主要是电容式变换方法较其它方式具有更多的优越性, 如它的输入能量极低, 动态响应快, 自热效应甚微, 稳定性好, 内磨损误差小。因此, 特别适宜动态、在线检测。它的相对变化量大, 能用在特殊环境下工作, 如在强光照射下、在核辐射条件, 过载冲击震动环境等。

3.始于1998年的半导体指纹传感器应用多种新颖技术手段实现指纹图像采集,包括半导体电容式传感器、半导体压感式传感器、半导体温度感应传感器等, x∆

()

x

d

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其中,应用最广泛的是硅电容式指纹传感器。与光学设备多采用人工调整改善图像质量不同,半导体指纹传感器采用自动控制技术调节指纹图像像素行及指纹局部范围敏感程度,在不同环境下结合反馈信息生成高质量图像。由于提供了局部调整能力,即使对比度差的图像也能被有效检测到,并在捕捉瞬间为这些像素提高灵敏度,生成高质量指纹图像。半导体指纹传感器优点为图像质量较好、一般无畸变、尺寸较小、易集成于各种设备。硅电容式指纹图像传感器技术基础是电容值检测,包括常用的直流电容法(如美国Veridicom 公司FPS200等) 、交流电容法(如Authentec公司的芯片通过测量手指真皮层交流电容获取指纹图像) 。与光学传感器扫描指纹不同,硅电容式指纹传感器通过测量传感器与手指接触/非接触所产生电流变化(电子度量)检测有无指纹,并根据指纹峰、谷等纹理信息实现高可靠性图像搜索。其技术关键:在半导体金属阵列集成约100 000个电容式传感器(外层绝缘) ,传感器阵列每一点是个金属电极,相当于电容器阳极;手指放在上面时,皮肤组成电容另一极,传感面形成两极间介电层。电容值随脊(近的)和谷(远的)相对于传感器阵列的距离而改变。由于指纹纹路深浅不同,硅表面电容阵列各电容值亦有异,该电容值被转换成8 bit灰度图像,测量并记录各点电容值,即可获得具有灰度级指纹图像。当然,各厂商可能采用不同形式电容方法开发产品,其中,技术新颖且先进的首推Veridicom公司推出的Image2SeekTM ,它通过改变指纹传感器电容阵列参数,能在1 s内扫描多帧指纹图像,并自动选择图像质量最好的。

三．电容式传感器的运行方式

实际的基本电容的传感器包括了一个接收器Tx与一个发射器Rx，其分别都具有在印刷电路板(PCB)层上成形的金属走线。在接收器与发射器走线之间会形成一个电场，大部分的电场都会集中在传感器PCB的两个板层之间。然而，会有一个边缘(fringe)电场由发射器产生并延伸至PCB外面，然后再回返至接收器上而终止。接收器上的电场强度是利用内建的积分三角(sigma-dedta)电容数字转换器来加以量测。电感传感器只能探测金属物质，而电容传感器却可以探测与传感器电极特性不同的导体和绝缘体。巧合的是，这种特性使人类非常适合电场成像，因为人体大部分都是水，介电常数很大，人体还含有离子物质，是良好的电导体，所以当人们的手进入到边缘电场内时，电子环境将会改变，导致一部份的电场会被分流到地线而非回返至接收器终止。

当今市场己有专门针对人机接口应用领域而设计的电容感测用途芯片产品问世。它提供了电容传感器的触发，能检测到因使用者的接近所造成的电容变化，并提供数字输出。