电容式传感器

四、多功能和智能化。许多MEMS产品体传感器
（Sensor）、执行器（Actuator）和电子控制电路等为一体， 特别是应用智能材料和智能结构后，更利于实现微机械的多功 能和智能化。
五、可能实现低成本、大批量生产。MEMS能够采用与
半导体制造工艺类似的生产方法，像超大规模集成电路芯片一 样，一次制成大量完全相同的零部件制造成本比传统机械加工 显著降低。 由于上述多种优点，MEMS器件及产品在科技发展和经济 生活中的意义日益突出，受到世界各国和组织的高高重视，美 国、德国、欧盟、日本和中国等纷纷制定MEMS发展计划，政府 部门、企业、科研机械等的积极参与，使MEMS的发展速度日益 增快，各种材料、工艺、工具等被应用到MEMS器件及产品的生 产中，从而推动了MEMS在医疗、汽车、国防、航空航天等领域 得到广泛应用。
二、运算放大器式电路 ：
由于运算放大器的放大倍数K非常大．而且输入阻 抗很高．运算放大器的这一特点可以作为电容传感器 的比较理想的测量电路，其电路如图3—8所示：
Cx Ci Ui
a
Ix
-k
I
Ii
图3-8运算放大器式电路
U0
Cx 为电容传感器。图中 a点为虚地点，由于输入阻抗 Z i 很高，所以 I 0 ，根据克希霍夫定律，可列出如下方 Ii 程： Ui j Ci Ix U0 j Cx
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三、电容式位移传感器的结构形式：
电容式位移传感器的基本结构形式，按照将机 械位移转变为电容变化的基本原理，通常把它们分 为面积变化型、极距变化型和介质变化型三类。这 三种类型又可按位移的形式分为线位移和角位移两 种。每一种又依据传感器的形状分成平板型和圆筒 型两种。电容式传感器也还有其他的形状，但一般 很少见 。
C d 电容传感器的灵敏度为： C d 1 K 0 0 d d d 0 C d d 若只考虑式中的线性项与二次项则 ( )2 C0 d0 d0 则其非线性误差为： C d ( d )2 ( d )3 ... ( d )2 C0 d 0 d0 d0 d0 d r d d d d0 d0 d0 d0
结构形式二
电容传感器分类比较
§2电容式传感器的输出特性
差动电容传感器的结构如图3—4所示( )其输出特性 曲线如图 3—5 所示。在零点位置上设置一个可动的接 地中心电极，它离两块极板的距离均为d。当中心电极 在机械位移的作用下发生位移 d 时，则传感器电容 量分别为
1 1 C0 C1 d 0 d d 0 1 d 1 d d0 d0
第三章 电容式传感器
电容测量技术近几年来有很大进展，它不但广泛 用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测 量，而且，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、 成分含量等方面的测量 。
优点：
结构简单，体积小，分辨率高，可非接触 测量等。
缺点：存在分布电容、引线电容、非线性。
目 录
§1 电容传感器的工作原理和结构
RS 代表串联损耗，即引线电阻，电容器支架和极板
的电阻。
电感 L 由电容器本身的电感和外部引线电感组成。 由等效电路可知，等效电路有一个谐振领率，通常 为几十兆赫，当工作频率等于或接近谐振频率时， 谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，应该选择 低于谐振频率的工作频率，否则电容传感器不能正 常工作。
§4.4电容传感器的测量电路
0 A 如果传感器是平板电容，则 Cx d 把该式代入上式得：
Ci U 0 U i d 0 A
（式3-23）
Ci U 0 U i 解上面三式得 ： Cx
Ii I x
从式(3—23)可知．运算放大器的输出电压 U 0 与动 极板机械位移d(即极板距离)成线性关系，运算放大器 电路解决了单个变极板距离式电容传感器的非线性问 Zi K 题。式(3—23)是 的前提下得到的。
图3—5 差动电容传感器输出特性曲线
非线性误差：
C d d 3 d d 2 d 4 [2 2( ) ...] 2 [1 ( ) ( ) ...] C0 d0 d0 d0 d0 d0
差动电容式传感器的相对非线性误差为：
C C C d （ ） （ ） 2 C0 实际 C0 线性 C0 d0 d 2 d 4 d 2 r ( ) ( ) ... ( ) C d d0 d0 d0 （ ） 2 C0 线性 d0
d d 2 d 3 C2 C0 [1 ( ) ( ) ...] d0 d0 d0
d d 3 电容量的总变化为: C C1 C2 C0 [2 d 2( d ) ...] 0 0
电容量的相对变化为 :
C d d 3 d d 2 d 4 [2 2( ) ...] 2 [1 ( ) ( ) ...] C0 d0 d0 d0 d0 d0
定极板 C1 C2 d1 d2 定极板
图3—4 差动电容传感器原理
动极板
新型传感器技术面临战略机遇期
中国科学院院士、大连理工大学教授王立鼎在日 前举行的“2004中国传感器产业发展论坛暨东北 MEMS(Micro-Electro-Mechanic-System)研发联合体 研讨会”上指出，未来10至20年将是我国新型传感器 技术得到全面、协调、持续发展的战略机遇期. 世界上传感器品种达3万余种，研究、生产单位 5000余家。我国近年来在国家“大力加强传感器的开 发和在国民经济中的普遍应用”等一系列政策导向和 支持下，传感器技术和产业取得了长足发展。目前国 内有1600余家企事业单位从事传感器的研制、生产和 应用，产品3000多种，年总产量超过13亿只，销售总 额100多亿元。
当被测信号不为0时， ，振荡器频率有相应变化， C 0 1 此时频率为： f f 0 f 2 L(C1 C2 C0 C )
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MEMS是Micro Electro-Mechanical System的缩 写，简称“微机电系统”，其主要特点是体现在“微” 字上，即“Micro”上，通常我们认为MEMS特征尺度 在亚微米至亚毫米之间。而特征尺度在亚毫米以下的 机械电子系统，由于量子效应的作用，其理论基础与 加工技术已经完全改变，属于最近几年来新提出来的 纳机电系统（Nano Electro -Mechanical System,NEMS）的研究范畴。其次，MEMS的特征 也体现在功能上，它将传感、处理与执行融为一体， 以提供一种或多种特定功能，具有一定程度上的智能 化。
§2 电容传感器的输出特性 §3 电容传感器的等效电路
§4 电容传感器的测量电路
§5 电容传感器的应用
§1 电容传感器的工作原理和结构
一、基本工作原理 ：
电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。 多数场合下，电容是由两个金属平行板组成并且以 空气为介质，如图3—1所示。
d
平行板电容器的电容量为：
一、调频测量电路：
调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路 的一部分。如下图所示：
f
Cx
L
u
f
u
振荡器
限幅放大器
鉴频器
Cx电 容 变 换 器
直放式调频电路
C0
振荡器 电容传感器
缓冲放 大器
变频
中频 放大
限幅放大
鉴想器
放大
输出
本机震荡
外差式调频电路
当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频 率就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量， 用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的， 不易校正，因此加入鉴频器，将频率的变化转换为振 幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录 下来。
调频振荡器的振荡频率为： f
1 2 LC
L——振荡回路的电感；C——振荡回路的总电容
C C1 C2 C0 C
C0 C 为传感器的电容;
C1 为振荡回路固有电容； C2 为传感器引线分布电容；
当被测信号为0时，C=0，则 C C1 C2 C0 ， 所以振荡器有一个固有频率 1 f0 2 L(C1 C2 C0 )
d ) d0 A A C1 d 2 （3—3） d 0 d d (1 d ) d 0 (1 2 ) 0 d0 d0
A(1
当 d
d 2 d0 时， 1 2 1 ，则式（3—3）可以简化为： d0 d
A(1
C1 d0 ) d0 C0 C0 d d0
（3—4）
C
C1
C2
0
d1
d2
d
图3-2 电容量与极板距离的关系
由图3—2可以看出，当 d 0 较小时，对于同样的 d变化所引起的电容变化量 C可以增大，从而使传感 器的灵敏度提高；
在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度和克服某 些外界因素 ( 例如电源电压、环境温度、分布电容等 ) 对测量的影响，常常把传感器做成差动的形式，其原 理如图3—4所示。
灵敏度
若略去高次项，则 C 与 C0
C d 2 C0 d0
d 近似呈线性关系 d0
C C0 d 2 d d0 2 d d0
则灵敏度为
为了比较看出差动电容传感器的优势，我们分析 一下非差动电容传感器。 C d d 2 d 3 而对于非差动电容式传感器 C0 [ d0 ( d0 ) ( d0 ) ...] 由式中可见，输出电容的相对变化量与输入位移之 间呈非线性关系，当略去高次项，得到近似的线性：
A
A
1 A A 1 C0 C2 d 0 d d 0 1 d 1 d d0 d0
d 若位移量d 很小，且 1 ，上两式可按级数 d0 展开，得:
d d 2 d 3Baidu NhomakorabeaC1 C0 [1 ( ) ( ) ...] d0 d0 d0
C d C0 d0
比较可见，电容传感器做成差动式之后灵敏度提高一 倍，而且非线性误差大大降低了。
§3电容式传感器的等效电路
电容式传感器的等效电路可以用图3—6所示电路表示：
RS
L
C
RP
图中考虑了电容器的损耗和电感效应，RP为并联损 耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这 些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容 抗减小，其影响就减弱。
式中
C
A
d
（3-1）
——电容极板问介质的介电常数
A——两平行板所覆盖的面积；
d——两平行板之间的距离；
变极距型—变极板间距 d
分类 变面积型—变极板面积 A
变介电常数型—介质变化
二、变极距型电容式传感器
由式 (3—1) 可知，电容量 C 与极板距离 d 不是线性关 系，而是如图3—2所示的双曲线关系。若电容器极板 距离由初始值 d 0缩小 d ，极板距离分别为d 0和 d0 d A 其电容量分别为C 0和 C1 即： C 0 (3—2) d0
电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微 小，这样微小的电容量还不能直接为目前的显示 仪表所显示，也很难为记录仪所接受，不便于传 输。
这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量， 并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流 或者频率。 电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、 二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。
具有以下特点：
一、 体积小，精度高，重量轻。能在极小的空间里实现多
种功能；
二、 性能稳定，可靠性高。由于MEMS器件的体积极小，
有些几乎不受热膨胀、噪声和挠曲等因素的影响，具有较高的抗 干扰性，可在较差的情况下稳定工作。
三、能耗低，灵敏性和工作效率高。完成相同的工作，
微机电系统所消耗的能量仅为传统机械的十分之一或几十分之一， 而运作速度却可达其10倍以上，如微型泵的体积可以做到 5mm×5mm×0.7mm，远小于小型泵，但其流速却可以达到小型泵 的1000倍。由于机电一体的MEMS基本上不存在信号延迟等问题， 从而更适合高速工作。