传感技术中的单电容式及差分电容式MEMS传感器检测系统

电容式传感器工作原理 　　电容式传感器分单电容式和差分电容式二种。如图1所示。 　　 　　图1 单电容式和差分电容式传感器 　　(a) 单电容传感器 　　(b) 差分电容传感器 　　图1(a)为两平行板组成的电容器，图1(b)为两平行板中间插入极板组成的差分电容传感。对图1(a)而言，当忽略电容器的边界效应时： 　　电容器的电容量为：　 　　 　　式中A为电容器的极板面积，d为极板的距离，er、e0为介电常数。 　　电容传感器中的变间隙式电容传感器的C-d特性如图2所示。 　　 　　图2 变间隙式电容传感器的C-d特性曲线图 　　单电容传感器的一个极板固 电容式传感器是一种广泛应用的检测装置，主要用于测量各种物理量如位移、压力、加速度等。它们基于电容的基本原理，即两个电极之间的电容量与电极间距离、电极面积和介质的介电常数有关。电容式传感器分为单电容式和差分电容式两种。 单电容式传感器由两块平行板构成，其中一块固定（静极板），另一块与被测对象连接（动极板）。当被测对象移动时，动极板的位置改变，导致电容器的电容量发生变化。这种变化可以表示为C-d特性曲线，即电容量C与两极板间距d的关系。电容的表达式为C = εA/d，其中ε是介电常数，A是极板面积，d是两极板间距。 差分电容式传感器则有三个电极，两个固定电极（静极板）和一个可移动电极（动极板）。这种设计使得当动极板移动时，两个电容的差值变化，而不是单一电容的变化，从而提高了传感器的线性度和灵敏度。差分电容传感器的C-d特性也为曲线，但在一定的移动范围内可以近似为线性关系。 为了提高传感器的性能，通常会采用差分结构，因为这不仅可以使灵敏度翻倍（K差动 = 2K单），还能显著减小相对非线性误差（Δ差动 << Δ单）。此外，差分电容传感器对环境影响的抗扰能力更强，适用于需要高精度和低非线性误差的场合。 在MEMS（微电子机械系统）领域，单电容式传感器在高频响应方面表现优秀，适用于微麦克风等应用。而差分电容传感器在低频范围，如地震波检测，表现出色。 为了检测和处理这些传感器的信号，需要特定的调理电路。对于单电容传感器，常见的方法有电荷转移法和脉宽调制法，其中电荷转移法常用于单电容传感器，而脉宽调制法适用于差分电容传感器。调理电路通过改变电路中的电荷分布，将电容的变化转换为频率信号，便于后续的数字化处理。 对于差分电容传感器，调理电路通常采用交直流激励，例如在MEMS加速度计中，通过测量差动电容的变化，可以计算出物体的加速度、速度等参数。这种传感器由质量弹性元件、位移测量系统和信号调理电路组成，其中横梁的位移改变了差动电容的大小，进而通过测量电路转化为电信号。 电容式传感器，尤其是单电容式和差分电容式传感器，在传感技术中占据重要地位，广泛应用于多个领域，其设计和调理电路的选择直接影响到传感器的性能和应用范围。通过深入理解其工作原理和优化设计，可以进一步提升传感器的精度和可靠性。