（检测技术与自动化装置专业论文）厚膜电容式微位移传感器及其信号处理方法研究.pdf

摘要 摘要 为深入研究微纳米环境中物体的受力与运动状态，建立纳米尺度下位移、 力检测的理论方法，实现微纳米环境下的操作与位置感知，为p z t ( 压电陶瓷) 驱动的微纳操作平台的实时观测创造条件，本论文提出与微纳米环境下相适应 的微位移传感器的设计、制备与测试方法，研制出能够用于检测纳米级位移的 新型高精度厚膜双电容式微位移传感器。 针对p z t 位移检测的应用场合，本文采用了变间隙式的电容传感器结构， 结合厚膜丝网印刷、烧结和集成化工艺技术，开展电容式微位移传感器的结构 设计和制备工艺研究。实验表明，当电容极板l 日- j 隙取2 u u 所 钆 2 朋时，参考 电容和测量电容均为5 0 p f 左右，此时传感器的线性度和灵敏度特性都能兼顾。 设计了以电容转电压集成芯片c a v 4 1 4 为核心的测试电路，并通过插针与电容 传感器刚性连接，利于实现器件的小型化。 对厚膜电容传感器及处理电路进行了标定。实验表明：采用环形补偿电极 结构的厚膜电容传感器具有稳定性好，抗干扰能力强，温漂系数小等优点；以 c a v 4 1 4 为核心的信号处理电路，通过将外接的普通电阻和电容元件更换为高 精密电阻( o 1 ) 和n p 0 材料的电容，其输出电压的稳定性和温漂特性大有改 善；经电路处理后，厚膜电容传感器的非线性特性大为提高，在量程为0 - 2 0 k p a 范围内标定厚膜电容传感器发现，线性度为3 左右的电容传感器经过电路处理 后，输出电压信号的线性度均降到1 以下。 本文设计的厚膜电容式微位移传感器具有结构简单，成本低，便于小型化、 产品化等优点，可为基于p z t 的三维纳米运动平台及其机电控制系统配套，为 纳米环境下的机器人化操作系统的实时可观测性提供科学方法和技术支撑。同 时可以将本文的研究成果应用于其他领域，实现物体纳米级位移的实时传感， 为微电子机械系统( m e m s ) 、微加工、微制造及相关领域的发展提供技术支持。 关键词：厚膜电容传感器微位移非线性 a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt oi n d e p t hs t u d yt h ef o r o ea n dm o t i o ns t a t eo ft h eo b j e c ti nm i c r o n a n o e n v i r o n m e n t ，t or e a l i z et h em e a s u r e m e n to ff o r c ea n dd i s p l a c e m e n ti nn a n o s c a l e ，t o e s t a b l i s hr e l a t e dt h e o r ya n dm e t h o d ，t os e n s et h ef o r c ea n dp o s i t i o na n dt oc r e a t e c o n d i t i o nf o rr e a lt i m ev i s u a l i z i n go b s e r v a t i o no fp z td r i v e np l a t f o r m a nn o v e lh i g h p r e c i s i o nt h i c kf i l mc a p a c i t i v em i c r od i s p l a c e m e n ts e n s o rh a db e e ns t u d i e da n d d e s i g n e du s i n gt h i c kf i l mt e c h n e l e g yi nt h i st h e s i s i no r d e rt oi n d e p t hs t u d yt h ef o r c ea n dm o t i o ns t a t eo ft h eo b j e c ti nm i c r o n a n o e n v i r o n m e n t ，t or e a l i z et h em e a s u r e m e n to ff o r c ea n dd i s p l a c e m e n ti nn a n o s c a l e ，t o e s t a b l i s hr e l a t e dt h e o r ya n dm e t h o d ，t os e n s et h ef o r c ea n dp o s i t i o na n dt oc r e a t e c o n d i t i o nf o rr e a lt i m ev i s u a l i z i n go b s e r v a t i o no fp z td r i v e np l a t f o 眦，t h i sp a p e r p r e s e n t e dt h ed e s i g n ，p r e p a r a t i o na n dt e s t i n gm e t h o d so fm i c r od i s p l a c e m e n ts e n s o r w h i c hi s c o p e dw i t ht h em i c r o n a n oe n v i r o m e n t ，a n dd e v e l o p e dan o v e lh i g h p r e c i s i o nt h i c k f i l m c a p a c i t i v e m i c r od i s p l a c e m e n ts e n s o r u s i n gt h i c k f i l m t e c h n o l o g y c o n s i d e r i n gt h eu s eo c c a s i o no fp z td i s p l a c e m e n td e t e c t i o n , w ea d o p t e da p e r i p h e r yf i x e ds t r u c t u r ef o rt h ec a p a c i t o ri nt h i st h e s i s c o m b i n e dw i t ht h i c kf i l m s c r e e n p r i n t i n g ，s i n t e r i n g ，a n di n t e g r a t e dt e c h n o l o g yt od e v e l o pt h er e s e a r c ho f s t r u c t u r ea n dp r e p a r t i o np r o c e s sa b o u td i s p l a c e m e n tc a p a c i t a n c es e n s o r e x p e r i m e n t s s h o wt h a tw h e nt h e c a p a c i t o rp l a t eg a p c o r r e c t t o2 0 t m 瓯 1 时有非线性项，只 有当满足 w ， o o 时c 才与p 成线性关系。 这时，电容可简化为 第二章电容传感器的工作原理与设计 强等小等j 。w ， 1 0 0 p m 1 5 p f 2 p f 2 0 p f 2 p f灵敏度好，但很小压力就达饱 和，线性很差，容易被击穿 2 0 , a m 8 0 7 5 u r n 5 0 p f 左右 5 p f 左右 2 p f灵敏度和线性度两个参数都 能兼顾 由以上表格对比发现，厚膜电容传感器印刷时电容两极板的间隙最佳大小 为2 0 z m 磊 7 5 z m ，此时灵敏度和线性度都比较良好。 2 3 厚膜电容式传感器的制作工艺 厚膜技术是2 0 世纪4 0 年代后期发展起来的- i 1 新兴科学技术。早期，美 第二章电容传感器的工作原理与设计 国国家标准局和全球联合公司中心实验室合作研究成功厚膜工艺，为厚膜技术 的发展奠定了坚实的基础。由于厚膜技术和半导体集成技术相结合易于实现二 次集成，使得电路系统的组装工艺大大简化并利于系统微型化，减少了电路间 的连线、过孔等，电路可靠性大大提高。因此，厚膜技术在计算机、测控、通 讯、航空航天、消费电子等领域得到了广泛应用。厚膜技术的发展可分为厚膜 混合集成电路和厚膜传感器两个方向，其中厚膜传感器是厚膜技术和传感器技 术相结合的产物，传感器的种类繁多，以厚膜电阻式传感器和厚膜电容式传感 器的研究居多。 结合实验室现有工艺条件，对厚膜电容式传感器的制作工艺作简要介绍。 下图为厚膜电容式微位移传感器的制备流程图。 寮戮墨h 版燮泸h 理论分析l 电极材料、密i i 丝网印刷、烧lj 厚膜电容芯片i l 电容小信号处l 。j 电路传感器集j 一一 l 理电路设计i7 i成化研究 图2 9 双电容厚膜微位移传感器制备流程图 厚膜电容芯片的制备是厚膜电容式微位移传感器制作的关键，直接影响整 个传感器的性能。下面对厚膜电容芯片的制备工艺做详细的介绍。 2 3 1 厚膜电容芯片的制备工艺 研制了由2 0 姗电容芯片，以9 6 a 1 2 0 3 材料的陶瓷盖板及陶瓷弹性膜片作 为两电极板，通过厚膜丝网印刷的方法将钯银电极浆料印刷在电极板上形成固 定电极和可动电极，然后通过低温玻璃粘结密封以后烧结，最终形成双电容结 构。以下对工艺流程详细介绍： 1 ) 厚膜版图设计 设计版图后先照相制版，然后经过涂感光胶再暴光显影，将原来的设计版 图转印于丝网上构成掩模网版。 2 ) 陶瓷盖板和弹性膜片选择 选择9 6 a 1 2 0 3 的陶瓷材料制作陶瓷盖板和弹性膜片。加工时，主要需要 考察陶瓷板的材质、尺寸、光洁度、翘曲以及表面的缺陷等。陶瓷板的表面必 需光洁不得有划痕，否则会严重影响电极的致密性和均匀度。同时需用超声波 清洗。 3 ) 电极浆料选择 电极浆料要求既有有良好的触变性和流动性，又有一定的粘度。使得在刮 板运动的转印过程中，电极浆料能够顺利地通过掩膜图形而淀积在基板表面， 1 6 第二章电容传感器的工作原理与设计 且印刷结束后浆料不流趟，能保持掩模图形的清晰度，同时也要有一定的流平 性，当浆料印刷到基板上之后，露在印刷表面的网线痕迹，通过表面张力和重 力的作用可以自动流平，使掩膜表面光滑，厚度均匀，边缘变形消失。 本课题中，电极材料采用美国杜邦公司( d u p o n t ) 6 1 7 7 tp d a g 电极浆料， 因为钯银合金具有与陶瓷匹配的低热膨胀系数，而且附着力强，具有低温度系 数及优良的导电性能，同时解决了单独用银作电极时易氧化、耐腐蚀差的问题。 丝网印刷前从冰箱中取出p d a g 电极浆料，并充分搅拌匀浆。 4 ) 厚膜电极丝网印刷 取适量的p d a g 电极浆料放于网板上，用刮板匀浆并经过网孔把浆料均匀 地沉积到陶瓷基片上，图案由丝网下面的掩膜图形决定。如果丝网与基板间的 距离高度太小，则回弹力小，膜层变薄，重现性变差，而且容易粘丝网，导致 印刷图案不清晰；若高度太大，则膜层变厚，丝网和掩摸会因受力而产生变形， 影响图形精度，而且容易加剧丝网和刮板的磨损。印刷速度慢，压力大，转印 浆料多，基片表面光洁，接触面增大，有利于浆料的转移。 5 ) 厚膜电极流平并烘干 厚膜电极先经过流1 0 分钟，让膜表面上的网线痕迹在重力和表面张力的 作用下自动流平，形成表面光洁，厚度均匀且边缘整齐的膜。流平时间不宜太 长，流平后放入电热鼓风干燥箱中烘干，烘箱先加热到5 0 ，保温1 0 分后间 隔分别升温至7 0 、9 0 、1 1 0 、1 3 0 、1 5 0 、1 8 0 ，每次恒温1 0 分， 加热完后关闭并让芯片在干燥箱内自然冷却。 6 ) p d a g 电极烧结 采用六温区全自动遂道烧结炉，烧结炉带长6 m ，六温区温度分别设置为： 4 0 0 、5 6 3 、8 3 1 、8 5 4 、8 5 2 、7 0 0 ，设置温度后开机先预热约两小 时，使各温区温度升至预设值待炉内温度达到平衡。从进片口放入烘干的电极 板，水平放置切勿重叠，以避免拾取时所造成的机械性损伤。烧结时长约l 小 时。该烧结方法消除了普通炉子快速升温导致的膜层表面先硬化，而内部存在 气孔的缺陷。 7 ) 印刷、烘干、烧结高温粘接玻璃 用粘结网板在盖板和弹性膜片上印刷粘结白玻璃层，像之前的工艺一样经 流平、烘干干燥，网板用酒精棉球擦净，然后烧结固化白玻璃，温度参数的设 置与p d a g 电极烧结时相同。 8 ) 印刷、烘干、烧结绝缘玻璃层 在作为公共电极的弹性膜片上通过绝缘层网版再丝网印刷上一层二氧化硅 绝缘玻璃薄层，流平1 0 分钟后烘干，然后放入马弗炉烧结绝缘玻璃膜，烧结 1 7 第二章电容传感器的工作原理与设计 温度为5 0 0 0 ，烧结时间大约5 07 0 分钟，之后随炉子一起冷却。 9 ) 印刷低温粘接玻璃 通过绝缘层网版再丝网印刷一层低温粘接玻璃，粘结玻璃采用绿玻璃浆料， 软化点温度约为5 3 0 ，丝网印刷后流平1 0 分钟。 i o ) 上下电极粘接 上下电极粘接时各粘接点要尽量对齐，同时粘接时保证用力均匀，感压元 件电容之间自j 隙各处均匀一致。粘接前应对电极或者陶瓷过孔等处残留的细屑 粉体颗粒清理，防j r 粘接后电极之间短路。粘接完后将其放人干燥箱烘干并挎 却l o 分钟。 1 1 ) 烧结粘接好的感压元件 将枯接好的感压元件放入六温区烧结炉，烧结温度分别设置为3 0 0 0 、4 0 0 、5 1 0 c 、5 2 0 0 、4 0 0 c ，烧制完毕时便制成感压元件芯片。 粤霹器二罗一 幽 斟25 半自动厚膜平面印目0 机 图26h s l 型六温区隧道烧结炉 圈27h z l 一2 5 0 红外再流焊炉 匿28 厚膜隧道烧结炉 厚膜电容芯片的制各完成以后，需把它装进设计的专用p z t 驱动用金属外 壳内外壳周边南4 个小孔与p z t 驱动器件紧密连接，侧面引出电路板的导线。 设计的金属外壳如图2l o 所示： 第二掌电容传感器的工作原理与设计 24 本章小结 金属屏蔽廿壳 信号北m t 路 “女盘 残“ 琦瓷弹h 胰h 固定 l 图2i o 厚膜电容式微位移传感器金属外壳结构 本章简要介绍了电容传感器的理论基础，在基于两平行板面积很大且靠得 很近的假设下，对平板式电容传感器的数学模型加以分析，并从非线性误差和 灵敏度特性等方面对平板式电容器的工作方式作简要推导，此时平行板的电荷 将集中在两导体相对的表面上，电力线集中于两表面的狭窄空间内。 厚膜电容式传感器的结构主要由厚膜电容芯片、信号处理电路及封装外壳 三部分组成，其中，厚膜电容芯片的设计是整个厚膜电容式微位移传感器的核 心和关键，主要介绍了厚膜电容芯片的设计与制各工艺信号处理电路在第三 章加以详细论述。 第三章电容传感器小信号测试系统设计与实现 第三章电容传感器小信号测试系统设计与实现 电容传感器小信号测试系统主要包括厚膜电容传感器、信号处理电路、传 感器屏蔽外壳等组成。本章将从电容传感器小信号的测试方法、原理，测试系 统的组成及测试系统的软硬件设计着手介绍自制的厚膜电容传感器的信号测试 系统的设计与实现。 3 1 电容小信号的测试方法 电容小信号的检测对于厚膜电容式传感器测试系统来说，和厚膜电容式传 感器的制作工艺同等重要。电容小信号的检测方法按照检测原理大致可以分为 以下几种： 谐振法 谐振法是将被测电容c x 和一个固定电感l 并联，在其两端加载一可调频 率的电源，通过调整信号源的频率，使电路发生谐振。此时被测电容c x 的容 抗和固定电感l 的感抗相等，即 i j w l | = i 意l 3 其中w = 2 z f , 可求出频率为 产罚云 。2 当被测信号瓯不为0 时，振荡频率也相应的变化a f ，因此只要能够检 测出振荡频率的变化就可求出相应的a c x 的变化。振荡法原理图如下： ! 上，、 调频 ：l7 g x 振荡器 r限幅 鉴频 放大 l 图3 1 振荡法原理图 这种方法的优点是频率范围宽，可从几百h z 到几百m h z 。但是，它需要 高精度的电路来检测信号频率的f 的变化，而且要求电路具有稳定的幅频响应 第三章电容传感器小信号测试系统设计与实现 特性，使得电路的设计过于复杂。大体积的电感也使系统受到干扰而不能稳定 工作。 交流电桥法 交流电桥法是把被测电容c x 放在电路一个桥臂，参考阻抗放在另外一个 桥臂，并在两个桥臂分别接上频率相同、电压相同的两个信号源。调节参考阻 抗使得电桥平衡，这时参考阻抗和待测电容阻抗共轭相等，由此可测得被测电 容的变化量。该方法的优点是测量精度高，适合精密电容测量，可获得很高的 信噪比。但是，这种电路不具备自动平衡能力，不易调节。 图3 2 交流电桥法原理图 脉宽调制法 脉宽调制法原理如图3 3 所示。脉宽调制法充放电回路由比较器a 1 、a 2 ，双 稳态触发器，电阻，二极管及差动电容c l 、c 2 组成。整个电路的输出就是双稳态 触发器的两输出端间的电压差。当电源接通时，双稳态触发器的b 端为低电平， a 端为高电平，a 点经过r l 对c l 充电，当m 点电位升高至参考电压u r e 耐，比较 器a l 产生脉冲，触发双稳态触发器翻转，b 端变为高电平，a 端变为低电平。这 时m 点电位从u r e f 经二极管快速放电为零；同时，b 点经f 1 1 r 2 对c 2 充电，直到n 点的电位充电至参考电压u r e 耐，比较器a 2 产生脉冲，触发双稳态触发器翻转， a 端变为高电平，b 端变为低电平，之后又重复上述过程。如此反复，双稳态触 发器的两端就会产生一个宽度受电容c 1 、c 2 带i 约的脉冲方波，这样只要求得方波 的频率，就能检测出电容的大小。 图3 3 脉宽调制法原理图 2 l 第三章电容传感器小信号测试系统设计与实现 数模混合检测法 图3 4 数模混合电容检测原理图 图4 5 中c f 变换为检测电路的模拟部分，其输入与被测电容c 的动极板相连， 将电容变化量转化为频率的变化，电容值与频率值之间存在一定的函数关系。 该单元输出信号为频率岁电容变换的方波信号，频率为疋。 该原理图中其他单元为检测电路的数字部分，用于完成多周期的同步频率 测量，时序如图4 6 所示。对多周期同步测频率法原理简要介绍如下： 疋和疋分别为被测频率和标准频率信号；t 为预设闸门信号。同步脉冲产 生器的作用为检测五和z 的上升沿是否同时到达。如果是，产生一同步脉冲s y n ， 由该同步脉冲s y n 和预设闸门t 共同控制计数器。t 上升沿到来之后，当五和六首 次同时到达上升沿时，同步脉冲产生器将产生对应的同步脉冲s y n ，由它控制计 算器a 、b 开始对疋和疋计数。当闸门t 下降沿到来时，计数也不会立刻停止， 直到第一个同步脉冲s y n 出现才关闭计数器a 、b 。这样，两计数器的结果均为工 和的整周期数，计数值存放在存储单元a 、b 中。假设计数器a 和b 的计数值为 o 和x ，已知五，经过运算单元，得到标准信号和被测信号的频率分别用工和 疋表示，若己知疋，经由运算单元，得到： 工= 瓮丘 净3 ， 得到被测信号频率疋后，即可计算出对应被测的电容值c 大小。 醯鬻1 v _ l 几乙n j _ u _ l 几u - l _ u l 几几 塑些丝兰竺：il 氐氏 竺尘生j 二二二 二二乇兰竺兰 图3 5 多周期同步测量法时序图 v 厂r 变换法 v 厂r 测量电路原理如图4 7 所示，电流源为精密恒流管，它通过电子开关 第三章电容传感器小信号测试系统设计与实现 k 2 与电容c 串联构成一闭合回路。电容c 两端连接电压比较器的输入端。 图3 6 v 厂r 测量电路原理图 测量过程为：当k 1 闭合时，由基准电压对电容充电至u c = u s ，断开k 1 ， 闭合k 2 ，此时电容在电流源的作用下放电，单片机的计数器开始计数。当电容 放电至u c = 0 时，比较器翻转，计数器计数结束，计数值与电容充放电时间成 反比，计数脉冲与放电关系如图4 7 所示。 图3 7 电容充放电时间与计数脉冲关系 电容电压u c 与放电电流i o 的关系式为： u 。= 乩一吾f 厶斫= q 一了l o t ( 3 - 4 ) 令u c = 0 ，有： c ：盟= i o n r o 以q ( 3 5 ) 其中n 为计数器的度数；t c 为计数脉冲的周期，它是一个常数；当u s 和 i o 为定值时，c 与n 成正比。 基于v t 变化的电容测量电路中，只需对被测电容进行一次充放电即可完 成被测电容的测量过程。采用电子技术中精确度很高的时间测量原理，克服了 第三章电容传感器小信号测试系统设计与实现 传统测量中微弱信号电路中放大器稳定性不好、零点漂移大等缺点，而且该电 路具有结构简单、测量精度高、分辨率好等优点。 充放电法 充放电电容检测电路如图3 4 所示。 s t 司几几几r ： s r 扪 nn ： a ) 电路 b ) 开关波形 图3 8 差动式直流充放电电路 图中c x 为待测电容，c s l 和c s 2 分别为源极板和检测极板与地间的等效杂 散电容，其中s 1 s 4 为c m o s 开关，s 1 和s 4 同步，s 2 和s 3 同步，它们的通 断由频率f 的时钟信号控制，充放电过程以频率f = l 厂r 重复进行，可求得一平均 电流，平均电流被转化成电压并平滑，最后输出一直流电压，其大小为 v o ，= 2 k r i v 。c , , f ( 3 6 ) 其中k 为差分放大器d 3 的放大倍数。 该方法的主要优点是能有效抑制杂散电容，电路结构简单，成本低。但是， 由于电路采用的是直流放大，存在较大的漂移：此外，由于充放电由c m o s 开 关控制，所以存在电荷注入的问题。 3 2 测试系统组成及原理 鉴于实验室的硬件设施条件，为了方便的模拟p z t 形变施加予厚膜电容传 感器的压力作用，采用浮球式气压计为传感器提供气源，气源对传感器的压力 均匀，能够很好的近似该应用场合。测试系统结构框图如图3 1 0 所示。 第三章电容传感器小信号测试系统设计与实现 图3 9 测试系统结构框图 3 21 气源 气源采用的是西安仪表厂生产的 0 4 7 型浮球式压力计和空压机，作为厚膜 电容传感器的标定装置如图31 1 所示。采用量程2 0 k p a ，标定时以2 k p a 逐 级往上加载、卸载。 图31 0 浮球式气压计( 左) 和空压机( 右 3 2 2o a v 4 1 4 测量电容原理 电容钡4 量由集成芯片c a v 4 1 4 完成。c a v 4 1 4 是德国a m g 公司生产的电容转 电压集成处理芯片，它采用的是双电容输入形式，内部原理结构框图如图31 2 ， 具体内容介绍见下一节。 图3 1 1 电容测量原理框固 第三章电容传感器小信号测试系统设计与实现 3 3 测试系统的设计 3 3 1 测试系统硬件设计 厚膜电容式微位移传感器测试系统主要由厚膜电容式传感器、传感器处理 电路、厚膜传感器封装外壳、浮球式气压标定台等组成。系统设计时，在达到 项目要求的压力范围、温度特性、输出精度、线性度、分辨率的同时，应尽可 能的考虑使整个测试系统具有成本低、长期工作稳定可靠、频率响应良好等特 点。本文测量的电容变化量很小，在l p f 甚至更小的量级，它很容易受到外界 的电场干扰、磁场干扰、工频干扰等因素影响。因此，有针对性地选择厚膜传 感器、电容处理芯片、电阻电容器件显得十分重要。 3 3 1 1 电容小信号专用处理芯片的选型 微小的电容量难以直接测量，电容小信号的转换成为整个处理电路的关键 部分。经比较，结合本文设计的厚膜电容式传感器的特性，决定选用德国a m g 公司的c 舢转换集成处理芯片c a v 4 1 4 ，它非常适合厚膜电容传感器的信号处 理的应用场合。c a v 4 1 4 的基本功能为测量一个电容相对另一个参考电容的变 化量，并将相对电容变化量转化为相应的电压信号输出，电压输出即对应于电 容量的变化。该芯片的输出结果的零点和满度均可通过外围的电阻器件进行调 整。c a v 4 1 4 的芯片原理示意框图如图3 2 所示。 图3 1 2c a v 4 1 4 芯片原理方框图 c a v 4 1 4 的工作原理为：一个可通过外接电容调整的参考振荡器，驱动两 个结构对称的积分器积分，使得他们在时间和相位上同步，这两个积分器的振 幅由外接参考电容和测量电容来决定。振幅的差值即可反应出参考电容和测量 电容的差值。这个三角波形的差值再通过后面的两级有源滤波器滤波为直流电 第三章电容传感器小信号测试系统设计与实现 压信号，最后把直流电压信号送给可调放大器，由外接电阻调整输出电压满度。 c a v 4 1 4 具有以下特点： 工作电压范围：6 - 3 5 v 工作温度范围：4 0 - 8 5 检测频率：2 k h z 检测电容范围：1 0 p f l n f 零点和满度电压可在供电电压范围内任意调整，对于平板型电容测量线性 度更为理想。 从本论文设计的厚膜电容式传感器的特征参数可知，c a v 4 1 4 非常适合对 其进行电容信号处理。厚膜电容传感器采用的是双电容结构，陶瓷弹性膜片外 环电极与公共电极作为参考电容，内电极与公共电极为测量电容，当外界环境 如温度、湿度等因素发生变化时，两差分电容也随着同时变化，经过电路的处 理等效后，基本上可以抵消他们的影响，使电路输出信号趋子稳定。 3 3 1 2 特殊应用场合阻容器件的选型 由于测试的是微小的几个p f 的电容信号，电阻电容器件的精度和温度特性 对输出电压的影响很大，因此电阻电容器件的选型对于测试系统同样十分重要。 厚膜电容式传感器处理电路中使用的芯片c a v 4 1 4 依赖于外接的几个阻容器件 实现c u 转换，包括用于调整振荡器的电容和参考电容、被测电容、低通滤波 电容，以及调整零点和满度的电位器等。当外界因素如温度、湿度、气压等变 化时，外接的阻容元件的参数特性将对结果产生重要影响。 先介绍贴片电容的特性。目前，贴片电容使用n p 0 、x 7 r 、z 5 u 、y 5 v 等材质 规格，不同的规格有不同的用途。下面仅就常用的n p 0 、x 7 r 、z 5 u 和y 5 v 来介 绍一下它们的性能和应用。 n p 0 、x t r 、z 5 u 和y 5 v 的主要区别在于它们的填充介质不同。在相同体积 下由于填充介质不同所组成的电容器的容量将不同，随之而来的电容器的介质 损耗、容量稳定性等也不同。所以在实际使用电容器时应根据电容器在电路中 作用不同来选择不同的电容器。 1 ) n p o 电容器 n p 0 电容器是一种最常用的具有温度补偿特性的陶瓷电容器。它的填充介 质由铷、钐和其它一些稀有氧化物组成。 n p o 电容器是电容量和介质损耗最稳定的电容器之一。在温度从一5 5 到 + 1 2 5 时容量变化仅为0 3 0 p p m ，电容量随频率的变化小于o 3 c 。n p 0 电容器的漂移小于0 0 5 ，相对大于2 的薄膜电容这个漂移量可以忽略不 2 7 第三章电容传感器小信号测试系统设计与实现 计。其典型容量相对使用寿命的变化小于o 1 。随封装形式不同它的电容量 和介质损耗随频率变化的特性也会不同，大封装尺寸比小封装尺寸的频率特性 好。n p o 电容器适合用于作为振荡器、谐振器的槽路电容，以及高频电路中的 耦合电容。 2 ) x 7 r 电容器 x 7 r 电容器被称作温度稳定型的陶瓷电容器。当温度在一5 5 到+ 1 2 5 变化 时，其容量变化为1 5 ，此时电容器容量的变化是非线性的。 x 7 r 电容器的容量在不同电压和频率条件下也不同，它也将随时间的变化 而变化，大约每1 0 年变化1 c 。x 7 r 电容器主要应用于要求不高的工业应用 场合，而且必须满足当电压变化时它的容量变化是可接受的条件。它的主要特 点为在相同的体积下电容量可以做的更大。 3 ) z 5 u 电容器 z 5 u 电容器被称为通用陶瓷单片电容器。z 5 u 电容器的工作温度范围为 + 1 0 到+ 8 5 ，温度特性较差，变化+ 2 2 到一5 6 ，介质损耗最大为4 。z 5 u 电 容器的主要特点是它的小尺寸和低成本。对上述三种陶瓷单片电容来说在相同 的体积时z s u 电容器有最大的电容量。但它的电容量受环境和工作条件的影响 较大，它的老化率最大可达每1 0 年下降5 。 尽管它的容量不稳定，但它也有它的优点，具有小体积、等效串联电感( e s l ) 和等效串联电阻( e s r ) 小、频率响应特性良好，使其具有广泛的应用范围。尤 其常用于退耦电路中。 4 ) y 5 v 电容器 y 5 v 电容器是一种具有一定温度限制的通用电容器，工作温度范围为- 3 0 到8 5 ，其容量变化可达+ 2 2 至j j - 8 2 ，温度特性很差。y 5 v 的高介电常数允许 在较小的物理尺寸下制造出高达4 7i lf 电容器。介质损耗最大为5 为此，我们选用了上海派睿电子的n p o 材料的电容器( 温度系数2 5 p p m ) 和精密电阻( 精度为千分之一，温度系数5 p p m ) ，实验表明，更换高精度电阻 和低温漂特性的电容后，整个厚膜电容传感器的处理电路特性大有改善，不仅 稳定性得到提高，而且温漂特性有较大改善，利于长期工作于恶劣的环境下。 3 3 1 3 测试系统p c b 板的布局布线 厚膜电容式传感器处理电路设计的思路为：为便于调试，首先设计了一个面 积较大的调试用p c b 板，针对电路参数不确定的元器件预留余地，在电路板上 需要调节参数的地方放置电位器和可调电容，增强电路调试的灵活性，p c b 如 图3 1 6 所示。为了减小外界电磁干扰和工频干扰，测试时p c b 板与厚膜电容传 第三章电容传感器小信号测试系坑设计与实现 感器通过屏蔽导线连接，屏蔽导线内包含三根相互隔离的导线，其中个为两参 考电容和测量电容的公共端它与另外两个极分别组成参考电容信号和测量电容 信号，且p c b 固定在一个全封闭的金属铝盒中，从铝盒的侧面小孔引出导线进 行测试。如图31 4 所示。 泌4 龋妒 图3 1 3 铝盒对电路板屏蔽 经过大量的标定实验和记录数据并分析，最终确定电路板上各个主要元器件 的基本参数值并用电位器替换可能需要调整的电阻。然后把整个电路板压缩成直 径为2 6 m m 的小圆形p c b 板，可与厚膜传感器集成封装在一起，一同放入设计 好的金属外壳中小电路板的分立元件均选用贴片式电阻电容元件，使电路板面 积更小，便于封装。p c b 板通过三脚插针与厚膜电容传感器连接，并且尽可能 的靠近厚膜电容传感器，相对于使用长导线连接减小了寄生电容干扰的影响， 使整个电路更加稳定，大大的提高了整个处理电路的性能。其原理图和p c b 、 实物照片如图所示。 图3 1 4 实验板原理图 第三章电容传感器小信号测试系统设计与实现 图31 7 小板电晷处理电路p c b 3 32 测试系统软件设计 测试系统的软件设计主要针对的是厚膜电容传感器的电压输出信号，选择 a v r 的a t m c g a 8 单片机处理。 第三章电容传感器小信号测试系统设计与实现 a t m e g a 8 是基于增强的a v rr i s c 结构的一款高性能、低功耗的8 位 c m o s 控制器，它的数据吞吐率高达1 m 1 p s m h z ，且资源非常丰富，包含3 2 个8 位通用工作寄存器，8 k 字节的系统可编程f l a s h ，5 1 2 字节的e e p r o m ， 8 路1 0 位a d c ，两个可编程的串行u s a r t ，五种睡眠模式如空闲模式、a d c 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、及s t a n d b y 模式，2 3 个可编程的i o 口。a t m e g a 8 的所有程序都是在i c c + a v r s t u d i o 编译环境下进行，它是a v r 单 片机的集成环境汇编级开发调试软件，完全免费。安装完成后必须重新启动， 否则可能出现功能不正常。a t m e la v rs t u d i o 集成开发环境( i d e ) ，包括了 a v ra s s e m b l e r 编译器、a v rs t u d i o 调试功能、a v rp r o g 串行、并行下载和 j t a gi c e 仿真等功能。 该测试系统利用a t m e g a 8 处理器的a d c 把输出的模拟电压信号转换成数 字信号，转换结果被存入a d c 结果寄存器( a d c l ，a d c h ) 中，单次转换的结 果为： a d c ：= y m 10 2 4 7 r e f ( 3 7 ) 式中，v ，为被选中的引脚输入电压，y r e f 为参考电压。 1 0 位a d 转换已经足够满足测量精度的要求。 电压输出以数码管的形式显示，同时与p c 机通信，将实时的数据作相应 处理并绘制曲线。 a t m e g a 8 与p c 机间进行串口通信，其中数据采集界面程序在v i s u a lc + + 6 0 开发环境中开发，程序主要包含单片机控制模块、串口配置模块、数据接收 模块、数据处理模块、数据实时显示模块及数据存储模块六部分。数据采集界 面的开发，有利于数据实时观测，方便传感器性能测试及数据标定工作。 a t m e g a 8 的软件流程框图如下： 第三章电容传感器小信号测试系统设计与实现 图31 8 软件程序流程图 3 4 厚膜电容式微位移传感器样机 图31 9 厚膜电容式微位移传感器样机 如图32 0 所示，样机由厚膜电容式微位移传感器和金属外壳组成，将传感 器倒扣在金属壳内然后导线从侧面的小孔引出，整个结构为p z t 驱动的机电 控制平台配套。 星夸善百喜甭爿 第三章电容传感器小信号测试系统设计与实现 作为工业应用场合使用，必须对传感器的功耗做一个评估。采用在主干道 上串联电流表的方法测量干路电流，将该电流乘以供电电压即传感器的功耗。 对其中一个传感器测量，有u = 9 0 5 2 v ， i = 1 2 4 5 a ，此时 p = u i = 9 0 5 2 * 1 2 4 5 = 11 2 7 0 m w ( 3 8 ) 对其他几个传感器测试，发现功耗都差不多，l l m w 左右。满足工业应用 低功耗的要求。 3 5 本章小结 本章对小电容信号的处理方法做了简要概括，主要有交流电桥法、谐振法、 脉宽调制法、数模混合检测法、v 厂r 变换法和充放电法等，并对其中的几种典 型的电容处理电路作了详细的分析，对几种小电容信号的测量方法比较，最后 选择采用以参考电容驱动测量电容积分( 即充放电法) 的方法。选择了德国a m g 公司生产的c a v 4 1 4 电容转电压处理芯片完成信号的测量。 描述了测试系统的结构组成及测量原理。测试系统的硬件设计从信号处理 芯片的选型、阻容器件的选型、p c b 板的布局布线展开论述。p c b 的设计从实 验板到最终的小电路板，采用高精度的电阻和低温漂系数的电容器件替代普通 元器件，不仅提高了电路输出的稳定性，而且改善了电路的温漂特性。 测试系统的软件设计在i c e + a v r s t u d i o 集成环境汇编级开发调试软件环境 下进行，该系统软件部分主要包括单片机控制模块、串口配置模块、数据接收 模块、数据处理模块、数据实时显示模块及数据存储模块六部分，给出了程序 流程框图。 最后，展示了自制的厚膜电容式微位移传感器样机实物并计算出传感器的 功耗为1 l m w 左右，满足工业场合低功耗的需求。 第四章厚膜电容传感器及处理电路性能测试 第四章厚膜电容传感器及处理电路性能测试 传感器是一种以一定的精度把被测量转换成与之有确定对应关系、方便应用 的某种物理量的测量装置。传感器的输出输入关系特性是传感器的基本特性， 它与其内部的参数有密切关系。传感器的特性分为静态特性和动态特性。下面简 要对传感器的静态特性作相关描述。 4 1 传感器静态测试参数 静态特性是指传感器在稳态信号的作用下，其输出与输入的关系特性。衡量 传感器静态特性的主要指标包括线性度、灵敏度、重复性、迟滞、零点和温度漂 移等技术指标。下面就其中的几个重要指标作简要说明并对厚膜电容传感器的这 些指标进行对比分析。 1 ) 线性度 通常，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际应用中，为了 使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合的直线近似地代表实际的特性曲线。 线性度就是反应这种近似程度的一个性能指标。 传感器的线性度是指其输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程 度，又称作非线性误差。把误差中的最大值与输出满度值之比作为评价线性度( 或 非线性误差) 的指标。非线性误差可用下式表示 万，：丝墼1 0 0 _ y 1 厢 ( 4 1 ) 其中址一一输出量和输入量实际曲线与拟合直线的最大偏差值； 一输出满量程值。 实际应用中，大部分传感器的输出输入特性是非线性的，如果不考虑迟滞 和蠕变效应，一般可使用下面的多项式表示输出y 与输入x 的特性。表达式如下： y 2 a o + a l x + a 2 x 2 + + ( 4 2 ) 口。一零位输出； 口l 一传感器线性灵敏度； 第四章厚膜电容传感器及处理电路性能测试 嘭，口3 ，吒待定常数。 在使用非线性的传感器时，如果非线性项的次幂不高，在输入量变化范围不 大的条件下，可以用切线或割线等直线来近似代表实际曲线的一段，如图所示。 这种方法称为传感器非线性特性的线性化，近似的直线称为拟合直线。 x mx m 图4 1 输入输出特性的非线性 拟合直线的拟合方法有多种。将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为 拟合直线的方法，称为端点法拟合；将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的 理论直线作为拟合直线的方法，称为最d - - 乘法拟合。经比较，使用最小二乘法 拟合得到的线性度比端点法好，因此，我们选择使用最小二乘法对传感器的线性 度作拟合分析。 2 ) 迟滞性 迟滞特性表征的是传感器在正( 输入量增大) 行程和反( 输入量减小) 行程 期间，输出输入特性曲线不重合的程度，如图所示。 0 图4 2 迟滞特性 对于同一大小的输入信号x ，在x 连续增大的正行程中，对应某一输出量为 y 1 ，在x 连续减小的反行程中，对应于输出量为y 2 ，他们之间的差值称为滞环 误差，该误差用n - i 表示为： z x - - - - - ty 2 一y l l ( 4 3 ) 整个测量范围内的最大滞环误差用虬表示，它与满量程输出值2 r - ln 第四章厚膜电容传感器及处理电路性能测试 比值称为最大滞环率如，即： 露：等1 0 0 1 庵 ( 4 4 ) 3 ) 重复性 重复性是指传感器在输入量按单行程作全量程连续多次测量时，所得特性曲 线不一致的程度，如图所示。重复性误差属于随机误差，可用正反行程中最大重 复误差哦舣计算，即 舻争x 1 0 0 ) ， k d 图4 3 重复性 4 2 厚膜电容芯片及其信号处理电路的性能测试 在弹性膜片小挠度形变模式下，结合实验室现有测试条件，本文采用空气压 力模拟p z t 陶瓷驱动产生微小位移量，对厚膜电容芯片及装配信号处理电路的 传感器样机进行性能测试。采用浮球压力计对厚膜电容传感器提供压力信号，通 过获得压力电容曲线和压力电压曲线对厚膜电容芯片及装配信号处理电路的 传感器样机作性能测试。 采用西安仪表厂生产的y 0 4 7 型浮球式压力计和空压机控制压力输出，同时 使用基于电容转电压集成处理芯片c a v 4 1 4 为核心的电路板作信号测试系统检 测厚膜电容传感器的电容信号，并使用t o n g h u ie l e c t r o n i c ( 同惠电子) 的t h 2 6 1 8 b 型电容测试仪测量电容值。 为了排除偶然性因素，随意挑选3 个厚膜电容芯片做性能测试。对l j 6 、2 撑、 3 撑厚膜电容芯片分别施加以0 2 0 k p a 的压力，以2 k p a 为基数加载和卸载压力信 号，得到压力电容的特性曲线，以测试厚膜电容芯片的线性度、迟滞和重复性 3 6 第四章厚膜电容传感器及处理电路性能测试 指标。厚膜电容信号达到p f 量级，非常容易受到外界环境的干扰，因此，必须 将电容传感器屏蔽于金属壳内，并把金属壳与电源地、测量信号地连一起，确保 测试准确、可靠。 4 2 1 厚膜电容芯片的标定及数据处理 实验加压装置及传感器金属屏蔽壳如图3 1 1 和3 1 4 所示。表4 1 为厚膜电 容芯片1 # 、2 # 和3 # 力口压和减压的测试数据，在数据分析软件o r i g i n 中将实验数 据绘制成压力一电容曲线，并采用最小二乘法计算厚膜电容芯片的线性度，数据 曲线如图4 4 ，4 5 ，4 6 所示。 表4 1 厚膜电容芯片压力测试数据 鬯雾 l 撑2 撑3 群 压舢f ) ( k p a ) 加载卸载加载卸载加载 卸载 o 3 6 3 7 83 6 3 7 93 0 1 4 5 3 0 1 5 93 7 1 6 73 7 1 2 2 23 7 0 2 83 7 0 1 73 0 5 9 23 0 6 0 83 7 9 7 43 7 9 2 9 43 7 6 8 63 7 6 8 63 1 0 5 23 1 0 5 23 8 8 2 23 8 7 8 4 63 8 3 8 83 8 3 8 73 1 5 3 l3 1 5 3 83 9 7 1 83 9 6