单电容式及差分电容式MEMS传感器检测系统 作者：郭斌陈士清中科院上海微系统与信息研究所传感器国家重点实验室（上 海200333) 时间：2008-03-13来源：电子产品世界 摘要：传感器技术是信息社会的四大支柱之一，传感器和计算机结合形成的智能 系统大大的拓展了人类生活的空间。在传感器家族中，根据电容的物理特性制作 的传感器占有重要地位。电容传感器是很好的状态传感器，可提高电容检测，尤 其是微小电容检测的精度，是目前测控技术的热点。本文重点介绍一套微小电容 差分高精度检测电路，该套电路可测物体的运动加速度，加速度计的分辨率可达 2-18。 关键词：电容式传感器；MEMS;信号调理；检测电路 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。 (a)单电容传感器 (b)差分电容传感器 图1单电容式和差分电容式传感器 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：
单电容式及差分电容式 MEMS 传感器检测系统 作者：郭斌 陈士清 中科院上海微系统与信息研究所 传感器国家重点实验室(上 海 200333) 时间：2008-03-13 来源: 电子产品世界 摘要：传感器技术是信息社会的四大支柱之一，传感器和计算机结合形成的智能 系统大大的拓展了人类生活的空间。在传感器家族中，根据电容的物理特性制作 的传感器占有重要地位。电容传感器是很好的状态传感器，可提高电容检测，尤 其是微小电容检测的精度，是目前测控技术的热点。本文重点介绍一套微小电容 差分高精度检测电路，该套电路可测物体的运动加速度，加速度计的分辨率可达 2 -18。 关键词：电容式传感器；MEMS；信号调理；检测电路 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。 (a) 单电容传感器 (b) 差分电容传感器 图 1 单电容式和差分电容式传感器 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：
CEEoA 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。 Co do 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定，称为静极板，另一极板与被测物体连接为动 极板。差分电容传感器的上下极板均固定，称为静极板，中间极板为动极板。当 被测物体移动时动极板跟随移动，就改变了极板间的电容量C,可知C-d特性 C-EA 是一条曲线： do
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定，称为静极板，另一极板与被测物体连接为动 极板。差分电容传感器的上下极板均固定，称为静极板，中间极板为动极板。当 被测物体移动时动极板跟随移动，就改变了极板间的电容量 C，可知 C-d 特性 是一条曲线：
当d0减小△d时，且△d<d0 C+△C- E04 1 d。-△d -Co1-Ad/do (1) 由(1)式可得： 尝尝 (2) ACAd 当△d/d0<<1时，得到进似的线性关系C。d,: 电容传感器的灵敏度： K=△C/C≈1 △ddo (3) △C△d,,△d 1+ c。dd 如果考虑到(2)式中的线性项和非线性项： 电容传感器的相对非线性误差： △d/d)H ×100%=Ad/d×100% △d/d (4) 从(3)式可以看出，要提高灵敏度，应减小电容起始间隙d0,但d0的减 小受到电容器击穿电压的限制，不仅加工精度要求高，电容传感器的相对非线性 误差增加
当 d0 减小Δd 时，且Δd< d0 (1) 由(1)式可得： ( 2 ) 当Δd/d0<<1 时，得到进似的线性关系 ； 电容传感器的灵敏度： (3) 如果考虑到(2)式中的线性项和非线性项： ； 电容传感器的相对非线性误差： (4) 从(3)式可以看出，要提高灵敏度，应减小电容起始间隙 d0 ，但 d0 的减 小受到电容器击穿电压的限制，不仅加工精度要求高，电容传感器的相对非线性 误差增加
为提高传感器的灵敏度K,提高精度、减小非线性误差&，电容传感器大都 采用差动式结构。在差分电容传感器中，当动极板的移动距离为△d时，电容C1 的间隙d1变为d0-△d,电容C2的间隙d2变为d0+△d。 △C=2M 当△d/d0≤1时，得到进似的线性关系C。d,: K= 2AC/C≈2 △d 差动电容传感器的灵敏度 do 差动电容传感器的相对非线性误差： ad/d。) ×100%=(△d/d)×100% (△d/d) (5) 可见，电容传感器采用差动方式之后，灵敏度提高了一倍，相对非线性误差 减小了一个数量级。与此同时，差动电容传感器突出优点是最大限度地减小环境 影响所造成的误差。 就MEMS单电容式和差分电容式传感器而言，单电容式传感器在 50Hz~20KHz范围内频响线性度好，将来可做成微麦克风代替柱节式压力传感 器，用在手机里。差分电容传感器在0Hz-1KHz范围内频响线性度好，目前己 广泛应用在低频地震波检测上。 单电容传感器调理电路 传统的电容检测方法有电荷转移法和脉宽调制法，电荷转移法常用于单电容 检测，脉宽调制法常用于差分电容检测。图3是方波发生器电路，产生的方波 1 f= 频率 2R,Cx in(Rs/Rs) 。如果Rf为常数，则f是Cx(X)函数，可根据测定f 占空比，计算出CX(X)的值。实际上，图3电路仅可测量静态电容，对于测量
为提高传感器的灵敏度 K，提高精度、减小非线性误差&，电容传感器大都 采用差动式结构。在差分电容传感器中，当动极板的移动距离为Δd 时，电容 C1 的间隙 d1 变为 d0-Δd，电容 C2 的间隙 d2 变为 d0+Δd。 当Δd/d0≤1 时，得到进似的线性关系 ； 差动电容传感器的灵敏度 ； 差动电容传感器的相对非线性误差： (5) 可见，电容传感器采用差动方式之后，灵敏度提高了一倍，相对非线性误差 减小了一个数量级。与此同时，差动电容传感器突出优点是最大限度地减小环境 影响所造成的误差。 就 MEMS 单电容式和差分电容式传感器而言，单电容式传感器在 50Hz~20KHz 范围内频响线性度好，将来可做成微麦克风代替柱节式压力传感 器，用在手机里。差分电容传感器在 0Hz-1KHz 范围内频响线性度好，目前已 广泛应用在低频地震波检测上。 单电容传感器调理电路 传统的电容检测方法有电荷转移法和脉宽调制法，电荷转移法常用于单电容 检测，脉宽调制法常用于差分电容检测。图 3 是方波发生器电路，产生的方波 频率 。如果 Rf 为常数，则 f 是 Cx(x)函数，可根据测定 f 占空比，计算出 Cx(x)的值。实际上，图 3 电路仅可测量静态电容，对于测量
动态电容，必须对电路进行改进，对C×的电荷转移过程进行保护。改进的方 法是用电容性有源网络在电路中来代替C×,如图4所示。U3是电荷转移放大 器，是网络的中心：U2是跟随器：U4是保持器，电路静态谐振频率以 38KHz~40KHz为好。 Rf +15 Rs OP37 ￡方波 15v 2 R4 图3方波发生器电路 C1 Cx 被转换的电容 Cx U(s AD79 -AD797 5 U1(s) 4.07m 图4由RC和运算放大器组成的电容性有源网络 11 用有网络代替CX,可构成电容一频率转换器： Cx C-aQ2 Cx式中
动态电容，必须对电路进行改进， 对 Cx 的电荷转移过程进行保护。改进的方 法是用电容性有源网络在电路中来代替 Cx，如图 4 所示。U3 是电荷转移放大 器，是网络的中心；U2 是跟随器；U4 是保持器，电路静态谐振频率以 38KHz~40KHz 为好。 图 3 方波发生器电路 图 4 由 RC 和运算放大器组成的电容性有源网络 用有网络代替 Cx，可构成电容—频率转换器： 式中
电容一频率转换器输出频率： 1 f-2RCmL+2R6/R可2RCC21+(2R6R5可 式中Rf、C1、C2、R5、R6为常数。 该电路静态谐振频率一般以38KHz~40KHz为好。 差分电容传感器调理电路 目前流行的MEMS器件加速度计，其传感器原理一般基于差动电容。加速 度计主要由质量弹性元件、位移测量系统及信号调理电路构成，可以根据测量 DC得到物体的运动速度和加速度。 无加速度 有加速度 横梁 中间极板 CS1 CS2 CS1=CS2 CS1 图5MEMS电容式振动加速度传感器 如图5所示，中间极板（即横梁的伸出部分）与二个固定的外极板组成差动电 容CS1和CS2。没有加速度时，CS1=CS2;产生加速度时，横梁的移动改变 了中间极板和固定的外极板之间的相对位置，引起电容变化，CS1≠CS2。通过
电容—频率转换器输出频率： ； 式中 Rf 、C1、C2、R5、R6 为常数。 该电路静态谐振频率一般以 38KHz~40KHz 为好。 差分电容传感器调理电路 目前流行的 MEMS 器件加速度计，其传感器原理一般基于差动电容。加速 度计主要由质量弹性元件、位移测量系统及信号调理电路构成，可以根据测量 DC 得到物体的运动速度和加速度。 图 5 MEMS 电容式振动加速度传感器 如图 5 所示，中间极板(即横梁的伸出部分)与二个固定的外极板组成差动电 容 CS1 和 CS2。没有加速度时，CS1=CS2；产生加速度时，横梁的移动改变 了中间极板和固定的外极板之间的相对位置，引起电容变化，CS1≠CS2。通过
测量电路，将电容的变化在外加交流电压的激励下转化为电学量，能够测得该物 体相应的瞬时速度或瞬时加速度值。 同相驱动器 CON2- 电压调整器 AGC闭环反馈控制回路 差分电容传感器 反相驱动器 双平衡解调器→ 跟随器输出 移相器 图6交直流激励差分电容振动加速度传感器调理电路方框图 图7交直流激励的差分电容振动加速度传感器的调理电路 具体电路如图7所示：U0(MAX038)信号发生器芯片产生1MHz的正弦交 流信号：U1(AD797)运算放大器组成反相比例放大器，U2(AD797)运算放大 器组成同相比例放大器。1MHz的交流信号经U1、U2后，变为大小相等、方 向相反、相位相差180°的二个交流激励信号，用来激励差分电容传感器： U4(AD745]R)是高输入阻抗电荷转移放大器。U4是调理电路的中心，在外加 激励信号的作用下，传感器振动引起的电荷转移成电压信号的变化。R12、R13
测量电路，将电容的变化在外加交流电压的激励下转化为电学量，能够测得该物 体相应的瞬时速度或瞬时加速度值。 图 6 交直流激励差分电容振动加速度传感器调理电路方框图 图 7 交直流激励的差分电容振动加速度传感器的调理电路 具体电路如图 7 所示：U0(MAX038)信号发生器芯片产生 1MHz 的正弦交 流信号；U1(AD797)运算放大器组成反相比例放大器，U2(AD797)运算放大 器组成同相比例放大器。1MHz 的交流信号经 U1、U2 后，变为大小相等、方 向相反、相位相差 180 o的二个交流激励信号，用来激励差分电容传感器； U4(AD745JR)是高输入阻抗电荷转移放大器。U4 是调理电路的中心，在外加 激励信号的作用下，传感器振动引起的电荷转移成电压信号的变化。R12、R13
R14采用T型连结，目的是提升电路阻抗和电路系统放大倍数。U6(AD797) 运算放大器是将C11、R16组成的高通滤波器去除低频干扰后的电压信号经适 当放大，为下一步同步解调作好准备：U3(AD797)运算放大器组成的移相电路， 其作用是使调制信号和解调信号同步：U5同步解调器，采用ADI公司生产的平 衡解调器AD630,经U5同步解调出的电压信号就是反应振动加速度大小的信 号；U9(OP137)运算放大器组成二阶有源低通滤波器，滤除信号中高频噪音成 份；U10(OP177)运算放大器组成跟随器，信号经调整后跟随输出。 U7(OP137)运算放大器组成反馈AGC回路，将振动加速度信号的输出信 号反馈回源极，使动极板产生和加速度方向相反的静电力，目的是增加加速度计 的灵敏度和带宽。该套加速度计的分辨率为218。 激励信号采用正弦交流信号而不用方波信号，是因为方波信号为离散信号没 有连续性，解调时易产生尖峰脉冲杂波，杂波不易滤除，并且贯穿整个电路，影 响测量分辨率。 参考文献： 1.刘学涛，微机械贯性传感器检测平台的设计与应用，电子应用技术，2002,10 2.陈蜀勇，基于PLL的信号发生器的实现，微计算机信息，2004,11 3.吴道悌，非电量电检测技术'，西安交通大学出版社 MEMS简介 MEMS(Micro Electromechanical System,即微电子机械系统)是指集微 型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微 型机电系统。概括起来，MEMS具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功 能、高集成度和适于大批量生产。 MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新 功能的元件和系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几 乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学
R14 采用 T 型连结，目的是提升电路阻抗和电路系统放大倍数。U6(AD797) 运算放大器是 将 C11、R16 组成的高通滤波器去除低频干扰后的电压信号经适 当放大，为下一步同步解调作好准备；U3(AD797)运算放大器组成的移相电路， 其作用是使调制信号和解调信号同步；U5 同步解调器，采用 ADI 公司生产的平 衡解调器 AD630，经 U5 同步解调出的电压信号就是反应振动加速度大小的信 号；U9(OP137)运算放大器组成二阶有源低通滤波器，滤除信号中高频噪音成 份；U10(OP177)运算放大器组成 跟随器，信号经调整后跟随输出。 U7(OP137)运算放大器组成反馈 AGC 回路，将振动加速度信号的输出信 号反馈回源极，使动极板产生和加速度方向相反的静电力，目的是增加加速度计 的灵敏度和带宽。该套加速度计的分辨率为 2 -18。 激励信号采用正弦交流信号而不用方波信号，是因为方波信号为离散信号没 有连续性，解调时易产生尖峰脉冲杂波，杂波不易滤除，并且贯穿整个电路，影 响测量分辨率。 参考文献： 1. 刘学涛，微机械贯性传感器检测平台的设计与应用，电子应用技术，2002,10 2. 陈蜀勇，基于 PLL 的信号发生器的实现，微计算机信息，2004，11 3. 吴道悌，‘非电量电检测技术’，西安交通大学出版社 MEMS 简介 MEMS(Micro Electromechanical System，即微电子机械系统)是指集微 型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微 型机电系统。概括起来，MEMS 具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功 能、高集成度和适于大批量生产。 MEMS 技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新 功能的元件和系统。MEMS 技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几 乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学
生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方 面： 1.理论基础： 在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用， 但由于尺寸缩小带来的影响(Scaling Effects),许多物理现象与宏观世界有 很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的 表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、 微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视， 但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。 2.技术基础： MEMS的技术基础可以分为以下几个方面：(1)设计与仿真技术：(2) 材料与加工技术(3)封装与装配技术；(4)测量与测试技术：(5)集成与系 统技术等。 3.应用研究： 人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS技术与 航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等应用领 域相结合，制作出符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件 与系统
生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方 面： 1．理论基础： 在当前 MEMS 所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用， 但由于尺寸缩小带来的影响（Scaling Effects），许多物理现象与宏观世界有 很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的 表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、 微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视， 但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。 2．技术基础： MEMS 的技术基础可以分为以下几个方面：（1）设计与仿真技术；（2） 材料与加工技术（3）封装与装配技术；（4）测量与测试技术；（5）集成与系 统技术等。 3．应用研究： 人们不仅要开发各种制造 MEMS 的技术，更重要的是如何将 MEMS 技术与 航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等应用领 域相结合，制作出符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等 MEMS 器件 与系统