基于电容式加速度传感器的微小电容检测开题报告.李世坤

中 北 大 学毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：李世坤学 号：0206240601学 院、系：信息与通信工程学院 通信工程系专 业：通信工程设计(论文)题目：微小差分电容检测电路设计电路设计指导教师:刘双峰2006年3月9日毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述微小电容检测主要应用于电容式传感器的电容量测量。传感器是可以将非电量转换为电量的一种器件，在信息的捕获方面起着非常重要的作用。进入信息时代，人们的社会活动主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。20世纪80年代以来，世界各国都将传感器列为重点发展的高技术，倍受重视1。传感器技术是现代科技的前沿技术，国外已经得到迅速发展。美、日、德等国的传感器，都具有较高的技术性能，除了满足一般需要外，且能满足诸如高温、腐蚀、辐照、恶劣环境等特殊要求。我国早已把传感器技术列为国家八五重点攻关项目及中长期科技发展重点新技术之一。但由于受国民经济发展水平及资金的限制，加之对其重要性认识不足，致使这个行业的技术落后、发展缓慢、规模较小、应用面较窄。作为众多类型传感器中的一种，电容式传感器有着许多优点，应用也非常广泛。 电容传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，通过电容传感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化，进而转化为便于测量和传输的电压或电流量的器件。电容传感器与其他类型的传感器相比，具有测量范围大、精度高、动态响应时间短、适应性强等优点，在位移、振动、角度、加速度、压力、厚度、振幅、液位、成分分析等的测量方面得到了非常广泛的应用，是一种具有良好发展前景的传感器2。电容式传感器根据原理结构形式分为：变间隙式（一般用来测量微小的线位移），变面积式（一般用于测角位移或较大的线位移），变介电常数式（常用于固体或液体的物位测量以及各种介质的湿度、密度的测定）。凡是可以转换为间距、面积和介电常数的量都可以用电容传感器来测量1。电容式传感器的应用优点十分明显：(1)分辨力极高，能测量低达10-7的电容值或0.01m的绝对变化量和高达C/C100%200%的相对变化量，因此尤适合微信息检测；(2)动极质量小，可无接触测量；自身的功耗、发热和迟滞极小，可获得高的静态精度和好的动态特性；(3)结构简单，不含有机材料或磁性材料，对环境(除高湿外)的适应性较强；(4)过载能力强。但电容式传感器也存在很多不足，比如：寄生电容影响大，不仅降低了传感器的灵敏度和精度，而且会使仪器工作不稳定，变极距型电容传感器输出成非线性，即使其他类型的电容传感器由于边缘效应的存在，也会出现非线性等3。但随着材料、工艺、电子技术尤其是集成技术的高速发展，成功地解决了电容传感器在使用中存在的问题，使之成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有前途的传感器。由于传感器输出信号一般很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式4 6。电容式传感器的信号调节电路主要有： (1)运算放大器式电路； (2)电桥电路； (3)调频电路； (4)谐振电路； (5)二极管T型网络； (6)脉冲宽度调制电路。以上各种测量电路都存在寄生电容影响的问题，另外测量结果的精度还依赖于电源电压的稳定性，而运用开关电容技术7 9设计的电容式传感器测量电路则克服了这两个不足。开关电容技术本质上是一种把模拟量转化成准数字量的变换器。利用这种技术设计的电容式传感器测量电路具有理论上可免除寄生电容的影响，测量结果与电源电压无关，且可与驱动电路集成在同一芯片上，输出信号可与计算机直接接口等一系列优点1011。利用闭环运算放大器对微小电容进行交流放大测量，需要性能优良的高频信号发生器、高频放大器和解调器，才能高精度、高灵敏度、高线性度、高稳定度、高分辨率地测量微小电容量，否则难以实现12。采用四相检测技术的充放电微电容检测线路，它具有很强的杂散免疫性，能精确测量020pF的微小电容，分辨率达0.001pF，灵敏度达1V/pF。用该技术制造的电容传感器具有很强的消除杂散电容影响的能力，因而分辨力和灵敏度都很高，并且结构简单、成本低、体积小，可广泛应用于工业、交通、实验室和科研部门的自动控制领域中13。近年来随着科学技术的发展，电容式传感器的缺点不断地被克服，应用也越来越广泛，尤其是出现了数字式智能化的电容式传感器，它是一种先进的数字式测量系统。将其测量部件技术与微处理器的计算功能结合为一体，使得测量仪表至控制仪表成为全数字化系统。数字式智能化传感器的综合性能指标、实际测量准确度比传统的传感器提高了很多。总之，随着传感器技术的发展，电容式传感器的形式将会多种多样，其形式应以非接触式为研制重点。其发展方向是通过广泛应用微机等高新电子技术来获得全面性能的进一步提高，同时还要向着小型化、智能化、多功能化的方向发展2。本设计是基于电容式加速度传感器的微小电容检测。加速度传感器在经历了近二十年的发展,在原理、工艺、测试等方面已趋于完善。 随着微电子机械系统（MEMS）技术的发展，采用硅单晶材料和微机槭加工工艺实现了电容式微硅加速度传感器。微型硅加速度传感器具有结构简单、体积小、功耗低、适合大批量生产1415。1990年,CSDL所研制出的扭摆式力平衡微硅加速度计成为90年代微硅加速度计的典型代表. 目前，电容式微硅加速度传感器也正向三维方向发展,。电容式加速度传感器具有温度效应小,灵敏度相对较高,可达0.01mgn(即1.104m/s2)，加工工艺不复杂等优点,也是目前应用很广泛的一种加速度传感器。由于这种电容传感器电极的极板面积非常小，其电容量只有几个F，敏感被测量的变化量就更小，并且终是存在着各种寄生效应，而寄生电容的大小有时可与传感器单元电容变化相比拟，甚至更大，对测量精度将会产生影响。因此需要选择合适的测量方法和特殊结构设计得到弥补和解决16。参考文献1刘迎春，叶湘滨.传感器原理、设计与应用.长沙：国防科技大学出版社（第四版），2002 2张白莉. 电容式传感器的应用和发展.忻州师范学院学报，2005，21（2）：2426 3江冰，顾明.基于充放电原理实现的微电容测量电路.电气电子教学学报，2002，24(3):30324李敏毅，王蕊.微机械电容式加速度传感器信号电路设计.传感器世界，2005，（7）：31335王宏伟，张伟，林宇差动电容式力学传感器的信号提取电路电子元件与材料，2003，22(3)：1012 6栾云，唐旭辉，吴朝霞差动式电容加速度传感器传感器技术，1997，l6(6)：2l247 ACICHOCKI Application of switched-capacitor self-oscillating circuits to the Convention of RLC parameters into a frequency or digital signalJSensors and Actuators ，1990,A,24：129-1378Hiroki MatsumotoSwitched-Capacitor Charge-Balance Analog-t0-Digital Converter and its Applications to Capacitance MeasurementJ IEEE transactions on instrumentation and measurement，VOLIM一36， 1987，(4)9Francois KrummenacherA High Resolution Capacitance to Frequency ConverterJIEEE journal of solid-state circuits，VOLSC一20,1985，(3)10房慧敏，朱伯申，李东光.基于开关电容技术的一种电容式传感器测量电路.电测与仪表，2005,(2)：242711茅盘松，朱静远，华俊歧.电容式压力传感器微电容测量集成电路的研制. 传感器技术，1993,(5)12郑长签，贾默伊.应用于电容传感技术的新电路.仪表技术与传感器，1996，（4）：394113杨三序.基于四相检测技术的微电容传感器.传感器技术，2003,22(10):131514李跃进，扬银堂，朱作云等.微机械加工硅电容式加速度传感器.传感器技术，2001，20（1）：575915孟军,茅盘松. 微硅加速度传感器的发展.传感器论文集，2002,(10)16朱武,张佳民,熊斌等.微小差分电容检测技术的研究.测试技术学报，2004，18（3）：203207 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题要研究的问题是：设计出测量电容式传感器的微小电容的方案要解决的问题：1、把微小的电容量转化并放大为易测量的电量。电容式传感器有一个重要特征，就是电容变化量很小，只有几十pF甚至几pF，无法直接测量，必须采用测量线路将其转换为较大的电压、电流或频率信号。2、有效消除寄生电容的影响。在微系统中，往往有较大的寄生电容与检测电容同时存在，严重时寄生电容将远大于检测电容，使有用信号被寄生电容噪声淹没，以至传感器无法工作。这些寄生电容随温度、湿度、位置以及元器件的性能等因素变化而变化，这就要求测量电路能有效的抑制寄生电容。拟采用的研究