小型振动电容式静电传感器的设计

晶 赵 佳龙 李凤 玲 韩光 照 ， ， ，
１０ ０ ；． ５０ １２ 中国船舶重工集团公司第 ７３研 究所 ， ０ 黑龙江哈尔滨 １０ ０ ） ５ ０１
摘 要 ： 中介 绍 了一 种基 于振 动 电容 式 静 电传 感 器 的设 计 原 理 ， Ｓ８处 理 器 为控 制核 心 ， 用 静 电场 对 电 荷 产 生静 文 以 ０ 利
ｅ ｔｂ ｉｈ ｄ ｕ ｄ ｒｔ ｉ ｃ ｍｐ ｓ ｅ ｆｒ ｅ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｔ ｇ ｔ ｅｏ ｇｎ ｌｓｇ ａ ｍｐｉ ｅ ｔ ｎ， ｅ Ａ Ｄ ｏ ｖ ｒｉ ｎ ａ ｄ ｅ ｅ ｄ ｄ ｗＣ ＯＳ ｓａ ｌ ｅ ｎ ｅ ｈ ｓ ｏ ｏ ｉ ｏ ｃ ， ｎ ｏ ｕ ｉ ｈ ｒ ｉａ ｉ ｎ ａ ｌ ａｉ ｔ ／ ｃ ｎ ｅ ｓｏ ｎ ｍｂ ｄ ｅ ／ ｓ ｔ ｎ ｉ ｌ ｉ ｆ ｏ ｈ ＭＣ ｌ — ｓ ｐ ｒ ｔ ｎ ， ｅ ｅ ｉ ｉｎ ｙ ｏ ｅ ｍｉｒ ｃ ｎ ｒｌ ｒｗ ｓｉ ｒ ｖ ｄ Ｉ ｒ ａｉｅ ｏ － ｏ ｔｃ ａ ｕ ｎ ｔ ｏ ｎ ｔ ｅｃ ｌ Ｕ ｍｕ ｔ ｔ ｋ ｏ ｅ ａｉ ｓ ｔ ｆ ｃｅ ｃ ｆ ｃ ｏ ｏ ｔｏｌ ａ ｍｐ ｏ ｅ ． ｔ ｅ ｚ ｄ ｎ ｎ ｃ ｎａ ｔ ｉａ ｏ ｈ ｈ ｔ ｅ ｌ ｍｅ ｓ ｒ ｇｍｅｈ ｄ ｉ ａ ｉ ｉ ｈ — ｂ ａｉ ｎ ｚ ｎ ｆｔｅ ｅｅ ｔ ｓａｉ ｅ ｄ ｓｒ ｎ ｔ ｙ ｔｅ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｔ ｆｔ ｅ ｍｅ ｓ ｒ ｄ ｐ ｙ ｉａ ｕ ｎ ｉ ｎ ｅ ｗ ａ ｌ ｕ ｒ ｎ ｏ ｒ ｔ ｏ ｅ ｏ ｌ ｃｒ ｔ ｔ ｆ ｌ ｔ ｇ ｈ ｂ ｈ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉ ｏ ａ ｕ ｅ ｈ ｓｃ ｑ ａ ｔ ｙ ｉ ｖ ￣ ｅ ｋ ｙ ｃ ｒｅ ｔ ｗ． ｏ ｈ ｏ ｃｉ ｅ ｉ ｃ ｈ ｌ ｔ ｌ ｆ
在平衡位置 ｄ 处 弹力 为零 而 电场力 不 为零 ， 。 因此振 动膜 将 向其对面 的电极运 动 ， ｄ减小 。随着 ｄ的减 小弹力 以线性 即 增加 ， 而电场力 Ｆ以二次方增加 ， 如果 电场力始 终大于 弹力 ， 则 振动膜可继续前 进 ， 否则 将停 止在 小于 ｄ ０的某个 位置 。如果 振动膜可 以继续前进 ， 那么 由于 电场力 Ｆ快速增加 ， 梁会 弯曲 ，
化 的特点 ， 实现 了以非接 触式的测量方法 来标 定所在 区域 的静 电场强度。
关键词 ： 感器 ； 传 电容 式 ； 电 ； 克 弹 力 静 虎 中 图 分 类 号 ：Ｐ １ Ｔ ２２ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ２—１４ （０ １ １ — ０３—０ １０ ８ １２１ ）１ ０ １ ３
ｃ＝ ， 一 ６ Ｃ
ｕｄ ８了 等 一 Ｃ警。一 ’ 一 Ｓ Ｓ ８ ｄ
＝
（ ｕ ６ ）
图４ 系统 设 计 原 理
式 中 ： 电容 的变 化与 极板 间距 ； 交叠 面积 ； 为介 电常 ｄ为 Ｓ为
．
当遮 挡片处于感应 电极外 侧 时 ， 测 电极在 外 电场 下 ， 检 在 感应 电极上产生的感应 电量达到最 大值 ； 当遮挡片 位于检测 电 极上方时 ， 在感应 电极 上产生的感应 电量达到最 小值 。当电压 为零 时 ， 电极 间没 有力作 用 ， 动薄膜 在 自身弹力 的作 用下 向 振
Ｄｅ ｉｎ ｆＭ ｉ ｉｅｅ ｔｏ ｔ ｔｃ－ ｎ ｏ ｓ ｄ ｎ Ｖｉ ｒ ｔｎｇ Ｃａ ｃｔ ｎ ｅ ｓｇ ｏ ｎ － ｌｃ ｒ ｓａ ｉ ・ｅ ｓ ｒ Ｂａ ｅ ｏ ｂ ａ ｉ ｐａ ｉａ ｃ － ｓ
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几 肺． 能用具有一定灵敏度 的集成 电子 电路测 量电容 的变 化 ，
１ ４
Ｉ ｓｒ ｍｅ ｔＴ ｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎｔ ｕ ｎ ｅ ｈ ｉ ｕ ｎ ｅ ｓ ｒ
Ｎ Ｖ ２ １ Ｏ． ０ １
即输入阻抗 高， 电流损耗甚小 ， 符合设计要求 。
１３ 传 感器 敏 感 元 件 设 计 ．
２ 硬 件 系 统 设 计
膜的振幅和振动 频率 。在 振动 薄膜和 基底 上分 别制备 一个 电 极 ， 电极正对形 成一 个平 板 电容器 。其 中一个 电极 接 地 ， 两 另
一
硬件系 统采用 以 Ｓ ８为 内核 ， ９ ０ Ａ ０单 片机 ，４位 ０ ＭＣ Ｓ ８ Ｗ６ ２ Ａ Ｄ进行转换 ， ／ 其具体 系统 设计框图如图 ４所示。
变为 ｄ 则振动膜将受 到 电场 力和 虎克弹 力 的共 同作用 ， ， 使
得极板在振动膜 的作用下 进行 周期 性的振动。
Ｆ ＝ ｋ・ ｄ —ｄ （ｏ ） （ １ １）
基 于测量硅片的纵 向挠 曲， 过检测 电极在外 电场力 的作 通 用下产生 的感应 电荷来 对外电场强度进 行测量 ， 敏感 原件设 计 模型 如图 ２所示 。
＝
Ａｉ ｓ ｎ√Ｆ ｍ ／Ｅ ｌ
（ ５
式 中 Ａ为常数 。 如 图 １所示 ， 设计采 用测量纵 向挠 曲（ 即 和 ｓ不 变 ） 因 ，
图 １ 微挠 性结构 收稿 日期 ：０ １— ３— ９ 收修改稿 日期 ： １ ０ ３ ２１ ０ ０ ２ １～ ７— ０ ０
为其感应面积可 以做到 相对 比较大 ， 间隙尺 寸却很 小 ， 而 只有
Ｋｅ ｒ ｓ ｓ ｎ ｏ ； ａ ａ ｉ ｎ ｅ； ｌｃ ｒｓａ ｉ ； ｏ ｋ ｌｓｉ ｏ ｃ ｙ ｗｏ ｄ ：ｅ ｓ ｒ ｃ ｐ ｃｔ ｃ ｅｅ ｔ ｔｔ ｈ ｏ ｅ ｅａ ｔ ｆｒ ｅ ａ ｏ ｃ ｃ
１ 静 电传 感器 设 计 原 理 １１ 理论模型 ．
如图 １ 所示 ， 当悬 臂梁 的 自由端施加 １个点 载荷 时 ， 它
（ ． ｈｎｓ ｌ ｔｏ ｃｅｃ ｎ ｅｈ ｏｏ ｙＣ ｎ ｌｍｅａｅ４ ｔ ｅｅｒｈ Ｉｓｔｔ， ｒｉ ５０ １ Ｃ ｉａ １ Ｃ ｉｅｅＥｅ ｒｎＳ ｉｎｅａ ｄＴ ｃｎ ｌｇ ｏ ｇｏ ｒｔ ９ｈＲ ｓａ ｃ ｎｔｕｅ Ｈａｂｎ１０ ０ ， ｈｎ ； ｃ ｉ
２ Ｃ ｎ ｈｐ ｕｌｉｇＩ ｄ ｓ ｙＣ ｒ ｏａ ｏ ０ ｔ ｅｅｒｈＩｓ ｔｔ， ａ ｂｎ１ｏ ０ ， ｈｎ ） ． ｈ ａＳ ｂ ｉ ｎ ｎ ｕ ｔ ｏ ｐ ｒｔ ｎ７３ｌＲ ｓａｃ ｎｔ ｅ Ｈ ｒ ｉ ５ ｏ ｌ Ｃ ｉａ ｉ ｉ ｄ ｒ ｉ ｌ ｉ ｕ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｉ ｐ ｐ ｒｉ ｔ ｄ ｃ ｄ ｔ ｅｄ ｓｇ ｒｎ ｉｌ ｆａ ｖｂ ａ ｉｇ ｃ ｐ ｃ ｔｎ ｅ ｅｅ ｔ ｓａｉ ｅ ｓ ｒｕ ｄ ｒＳ ８ ｐ ｏ ｅ ｓ ｒ ｕ ｉｇ ｓｒ ｃ ： ｈ ｓ ａ ｅ ｒ ｕ ｅ ｅ ｉｎ ｐ ｃｐ ｅ ｏ ｉｒ ｔ ａ ａ ｉ ｃ ｌｃｒ ｔ ｔ ｓ ｎ ｏ ｎ ｅ ０ ｒ ｃ ｓｏ ， ｓｎ ｎ ｏ ｈ ｉ ｎ ａ ｏ ｃ ｔｅ ｃ ｕ ｏ ｒｅ ｇ ｎ ｒ ｔｄ ｂ ｈ ｌｃｒ ｓａｉ ｅｄ ａ ｄ ｂ ｅＨｏ ｋ ｌｓｉ ｏｃ ｙ ｓｉ ｌｔ ｎ ｌｖ １ Ｔ ｅ ｍａｈ ｍａｉ ｄ ｌ ｓ ｈ ｏ ｌ ｍｂ ｆ ｃ ｅ ｅ ａｅ ｙｔ ｅ ｅｅ ｔ ｔ ｔ ｆ ｌ ｎ ｙ ｔ ｏ ｅｅ ａ ｔ ｆ ｒｅ ｂ ｔ ｏ ｏ ｃｉ ｈ ｃ ｍｕ ａｉ ｅ ． ｈ ｔ ｅ ｔ ｍｏ ｅ ｏ ｅ ｃ ｗａ
电场力 以及振动 电极在激励 电压下产生虎克弹力的合力作 用下建立 了数 学模 型 ， 经过对原 始信号 的运 算放 大， ／ 在 Ａ Ｄ转 换 以及 嵌入式 ｉ ／ Ｓ多任务操作 系统 的管理 下， 高了单片机 的工作效 率。通 过将被 测物理 量可 以转 化为微 弱 电流 变 ｘ Ｏ Ｃ 提
上弹起。通过控制激 振 电压 的大小和 频率 就可 以控制 振动 薄
ｃ ． ，
Ｆ ＝
口
； 一 ・ｇ— ） ０ ｒ ｋ （ｏ ｄ ＞
（） １ ２
对 ｄ求导数 ， 当结果 为 ０时 ， 到最 小值 ， 达 当大于 ０时 ， 即可
保证极板 的振动正 常， 从而。当电压为正值 时 ， 由于 电极 间有
静电引力 作用 ， 振动薄膜受力 向下运 动。由于遮挡 片是 由振动
膜受 力而引起的 ， 于激 振的计算 如下 Ｊ 对 。
设 由２个电极组成的平板 电容器 正对面 积为 ． 距离 为 ｄ ｓ ， ，
电极 间为真空。电容量 Ｃ和容量变化 由式 （ ） 出。 ６给
纵向运动
’
Ｅｍ ｍ ｋ ：３ ｌ 丁
在电场中 ， 当悬臂 梁上 的硅片 检测 结构件 在 电场力 ， 的
作用下 ， 桥梁产生 了压缩 负载 ， 曲与施 加的 负载不 在是线 性 挠
关系 ， 但通过欧拉 曲率方程式可 以解决 。 ｄ
＝ 一
Ｅ
㈩ 、
两端 固定 的长度为 ｆ 的桥架 的解法为正弦解法 ， 中 ： 其
Ａ赢 Ｆ ｘ ｘ
式 中 ： 为材料 的杨 氏模 量 ； Ｅ ， ｍ为二 阶面积矩 。
梁的宽度厚度 的关 系由式为 ：
（ ）
（） ２
流 的变化或 电荷移 动所 产生的效应 ， 就可 知电场 的变化 。但在
实 际测量 中 ， 传感器 所在 的静 电场 中 电场 基本 不变 或缓 变 ， 不 易测量所处 在静 电场的变化 ， 该设计 采用遮 挡片遮挡 的形式对
由式（ ） １ 和式（ ） ２ 可得 ：
＝
ｋＡ ｍｘ
（） ３
振 动电容式静电传 感器 采用 电容传 感 的方式 进行 静场 强 度 的测 量 ， 也就是在微结构 中把 硅片挠 曲的变化量转 换成 电量
的方式 。图 １为微挠性 结构 ， 在该结 构 中它 的末端 与 固定 的敏 感 电极微 电容式耦 合 。
便产 生挠 曲 ， 曲的距离是 ． 挠 忽略地心引力 ， 弹簧 系数 是 ， 假设梁 中没有剩余应力 ， 则挠曲计算公式为 ：
１ ３
该静 电传感 器… 的原 理模 型是基于 如果在 静 电场 中放置
一
个导体 ， 导体表面 就会 产生感 应 电荷 ， 电场变 化时感 应 电 当
荷也变化 ， 使导体 内部 电荷 的移 动形成微 弱电流 。根据 微弱 电
一
，＝ ｄ ｍ 西 ｗ
式中 ： 宽度 ； 厚度 。 Ｗ为 ｄ为
个导体 的屏蔽 和去屏装置 ， 以周期性地 实现屏蔽 和去屏 的 可
动态效果 ， 产生 因动态 变化感 应到 的感 生 电荷 ， 即利用 了振 动 式 电容 以及 带电物体和检测电极之间 的静 电感应现象 的原理 。 １２ ． ＭＥ ＭＳ模 型 式中
遮挡片会在外力 的作用 下产 生振 动 ， 做加速 运动 ， 终与 另一 最
个 电极 紧贴 。直至 Ｕ减小 后将 在弹力 作用 下恢 复。因此 要保
图 ２ 敏 感 元 件 设 计 原 理
证振动膜起振 ， 并可以达到一定 的振幅只需要使 电压为 ｕ时 电
场力始终大 于弹力 即可。即只需要保 证 一Ｆ＞ ， ： ０即
２０１１正
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｓ ｕ ｎ Ｔ ｃ ｎｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎｏ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｒ ｅ ｈ ｉｕ ｎ ｅ ｓ ｒ
２ １ ０ｌ Ｎｏ ．１ｌ
第 １ 期 １
小 型 振 动 电容 式 静 电传 感 器 的设 计
刘 志远 姜 ，
（． １ 中国电子科技集团公 司第 ４ ９研究所 ， 黑龙江哈尔滨