新型传感技术及应用 课件 第五部分：典型传感器-电容式传感器

新型传感技术及应用第五部分：典型传感器（4）-电容式传感器主要内容第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模第五部分：典型传感器

第六部分：传感器的典型应用2

（4）-电容式传感器3第五部分思考题（4）发表在MOOC讨论区里1.针对右图传感器结构，简述工作原理、应用特点，画出方框图；分析影响测量因素及可采取的补偿措施2.左下图所示三轴加速度传感器，可否实现较大差异的灵敏度？为什么？3.右下图所示的角速度传感器，可否实现双轴角速度的测量？如何实现？

45.4.1电容式敏感元件及特性5.4.2电容式变换元件的信号转换电路5.4.3电容式传感器的典型实例5.4.4电容式传感器的结构及抗干扰问题51.基本原理

电容量与构成电容元件的电极结构与参数、电极间介电常数有关通过间隙δ、面积S

和介质ε改变C，有变间隙、变面积和变介质三类电容式敏感元件两种基本敏感结构：平行板和圆柱同轴；变δ，可测量线位移(小到0.01μm)；变S，可测量角位移(小到1”

)或较大线位移；变ε，测量介质物理特性，如湿度、密度等2.主要特点

优点：非接触式测量、结构简单、灵敏度高、分辨率高、动态响应好、可在恶劣环境下工作等；缺点：高阻抗输出、受干扰影响大、易受电磁干扰、稳定性稍差、介电常数受温度影响大、有静电吸力等5.4.1电容式敏感元件及特性6图为平行极板变间隙电容式敏感元件；平行极板变间隙电容式敏感元件不考虑边缘效应，特性方程→

C

与δ

成反比；δ减小Δδ，电容增量和相对增量分别为

→非线性明显为改善非线性，用差动方式，如图两个电容，一增一减；结合变换电路，实现补偿变间隙差动电容式敏感元件5.4.1电容式敏感元件及特性7图为平行极板变面积电容式敏感元件不考虑边缘效应，特性方程平行极板变面积电容式敏感元件→

ΔC与位移变化量Δx成正比；→

增大b或减小δ，灵敏度增大；→

a

不影响灵敏度；但影响边缘效应图为圆筒型变“面积”电容式敏感元件；被测量为物位

x，反映介电常数ε1部分的面积；不考虑边缘效应，特性方程圆筒型变“面积”电容式敏感元件→

△C与物位x成正比5.4.1电容式敏感元件及特性8介质厚度d保持不变，相对介电常数εr

受温度或湿度影响，引起电容变化；图为一种变介电常数电容式敏感元件结构示意；一些高分子陶瓷材料，介电常数与环境温度、绝对湿度等有确定函数关系；变介电常数电容式敏感元件→

依上述原理制成温度传感器或湿度传感器5.4.1电容式敏感元件及特性9图为电容式敏感元件等效电路等效电容电容式敏感元件等效电路高频参数：导线电阻、极板电阻及导线间动态电感；电阻可忽略低频参数：电容低频损耗，可忽略→

等效电容相对变化量大于电容相对变化量进一步得5.4.1电容式敏感元件及特性5.4.1电容式敏感元件及特性5.4.2电容式变换元件的信号转换电路5.4.3电容式传感器的典型实例5.4.4电容式传感器的结构及抗干扰问题111.运算放大器式电路对理想运算放大器，开环增益足够大，输入阻抗足够高；输出为对变间隙δ

电容式敏感元件运算放大器式电路→

输出电压与δ

成正比，解决了单个变间隙电容式敏感元件的非线性问题；特别适合微结构传感器5.4.2电容式变换元件的信号转换电路122.交流电桥原理电路平衡条件交流电桥电路→

交流电桥平衡条件远比直流电桥复杂，既有幅值要求，又有相角要求满足，有5.4.2电容式变换元件的信号转换电路133.变压器式电桥电路C1，C2

可差动组合：被测量变化，一增一减；或一受感电容，一固定电容；变压器式电桥电路变压器式电桥等效电路Zf为放大器输入阻抗，输出为→

平衡条件：→

初始平衡：C1=C2，输出为零讨论典型应用情况：对图示平板式差动电容元件→

电桥输出：C1，C2

如图差动组合Zf=Rf→∞，输出为→

经放大、相敏解调、滤波，得输出信号大小和方向5.4.2电容式变换元件的信号转换电路5.4.1电容式敏感元件及特性5.4.2电容式变换元件的信号转换电路5.4.3电容式传感器的典型实例5.4.4电容式传感器的结构及抗干扰问题151.结构原理

电容式压差传感器原理结构图为一种典型电容式差压传感器原理结构；上、下两隔离膜片与圆平膜片弹性敏感元件之间充硅油；膜片是电容变换元件活动极板；p2-p1→膜片法向位移→

C1、C2；

检测变换元件电容(变化量)实现压力测量2.特性方程压力差p2-p1引起膜片法向位移Cup与Cdown

为差动电容，可选前面相关测量电路；提高灵敏度，可增大膜片法向位移；但影响稳定性、重复性和可靠性；要综合考虑对称的上、下球面电极与膜片活动电极之间电容量分别为5.4.3电容式传感器的典型实例（压力）16硅电容式集成压力传感器示意图p核心部件是两个电容：一个敏感压力的电容Cp，位于感压硅膜片上；一个固定参考电容Cref，位于压力敏感区之外；感压方形硅膜片采用化学腐蚀法制作在硅芯片上，硅芯片上、下两侧用静电键合技术分别与硼硅酸玻璃固接在一起，形成感压电容Cp和参考电容Cref敏感结构工作机理特性方程应用特点5.4.3电容式传感器的典型实例（硅压力）17敏感结构工作机理特性方程应用特点集成化传感器；差动检测方案，测量电路对杂散电容和环境温度变化不敏感，但对过载、随机振动干扰的抑止作用较小硅电容式集成压力传感器示意图p5.4.3电容式传感器的典型实例（硅压力）18电容式加速度传感器原理结构图示为电容式加速度传感器的原理结构；弹簧片支承的敏感质量块为差动电容器的活动极板，以空气为阻尼；传感器特点：频率响应范围较宽；测量范围较大；灵敏度较低5.4.3电容式传感器的典型实例（加速度）19图为一种差动输出的硅电容式单轴加速度传感器原理结构示意图；传感器敏感沿连接单元主轴方向的加速度，使连接单元产生与加速度方向相反的惯性力；惯性力使敏感结构产生位移，引起活动电极移动，C1，C2

一增一减，形成差动输出；折叠梁横向（宽度与长度方向）刚度非常大，故该结构不会敏感与所测加速度正交的加速度；将两个或三个该敏感结构组合在一起，可以构成微机械双轴或三轴加速度传感器1.单轴加速度传感器硅电容式单轴加速度传感器5.4.3电容式传感器的典型实例（硅加速度）20图为一种差动输出的硅电容式单轴加速度传感器原理结构示意图；传感器采用集成电路加工技术，将敏感元件及信号调理电路集成在一块硅片上；传感器由敏感质量块、力或力矩发生器、位移传感器、伺服电路（信号的处理与放大）和输出电路等五部分组成；右下图为一具有差动输出的硅电容式单轴加速度传感器的结构示意图；差动电容单元采用交流电桥，输出与两个检测电容差值成正比，该信号经缓冲放大和同步解调，反馈给加力电极，产生静电反馈力，使得质量杆返回零位（中间位置）2.微机械平衡式伺服加速度传感器（a）结构示意图

（b）质量杆的运动

典型的微机械加速度传感器结构示意图一种伺服加速度传感器系统框图5.4.3电容式传感器的典型实例（力平衡）21下图为该传感器伺服原理电路；传感器输出与两个检测电容差值成正比的信号，经处理后反馈给加力电极产生静电反馈力；静电反馈力与惯性力平衡时，质量杆处中间位置2.微机械平衡式伺服加速度传感器（a）结构示意图

（b）质量杆的运动

典型的微机械加速度传感器结构示意图一种伺服加速度传感器系统框图典型的微机械加速度传感器的伺服电路原理图5.4.3电容式传感器的典型实例（力平衡）22图示为一硅微机械三轴加速度传感器；四个敏感质量块、四个独立信号读出电极和四个参考电极；敏感结构巧妙利用敏感梁在其厚度方向具有非常小的刚度感受垂直于梁厚度方向加速度，在其它方向刚度相对很大不能敏感加速度的结构特征；基于敏感结构特征，三个加速度分量为三轴加速度检测原理的顶视图和横截面视图3.三轴加速度传感器5.4.3电容式传感器的典型实例（三轴加速度）23图A为传感器横截面示意图，图B给出敏感结构总体坐标系与局部坐标系之间的关系；基于敏感结构特征，三个加速度分量为三轴加速度检测原理的顶视图和横截面视图3.三轴加速度传感器图B总体坐标系与局部坐标系间关系图A传感器的横截面示意图5.4.3电容式传感器的典型实例（三轴加速度）24硅电容式微机械陀螺示意图1.解耦敏感结构图为一种结构对称并具有解耦特性的微机械陀螺原理示意图；敏感结构在最外边四个角设置支点“锚”，通过梁将驱动电极和敏感电极连在一起两个振动模态固有振动相不影响，避免耦合2.工作原理驱动电极使敏感质量块沿y轴产生固有振动；传感器绕z轴转动引起科氏效应，敏感质量块产生沿x轴检测振动，幅度与角速度成比例；测量该检测振动幅值解算被测角速度5.4.3电容式传感器的典型实例（陀螺）5.4.1电容式敏感元件及特性5.4.2电容式变换元件的信号转换电路5.4.3电容式传感器的典型实例5.4.4电容式传感器的结构及抗干扰问题26温度变化引起传感器各组成零件几何参数变化，产生附加电容，引起测量误差；温度变化对结构稳定性的影响简要讨论图示一种电容式压力传感器结构；

温度t0，固定极板厚h0，绝缘件厚b0，膜片至绝缘底部间壳体长a0；若它们线膨胀系数分别为αh，αb，αa；则极板间隙δ0和温度变化△t引起的变化量分别为温差△t引起电容相对变化5.4.4电容式传感器的结构及抗干扰问题（温度）27温度变化引起介质介电常数变化，使敏感结构电容量改变，产生温度误差；典型实例：电容式液位传感器

如圆筒形电容式传感器，液面高度x，△t带来电容变化为测量煤油，其介电常数温度系数约0.07％／℃；温度变化100℃(-40～＋60℃)，将带来约7％变化；煤油介电常数随温度升高近似线性减小5.4.4电容式传感器的结构及抗干扰问题（温度）28电容式敏感元件电容量为几pF～几百pF；若电源频率较低，传感器容抗就高达几MΩ～几百MΩ；故应解决好绝缘问题；绝缘材料：高绝缘电阻、高表面电阻、低吸潮性、低膨胀系数，结构参数稳定；如玻璃、石英、陶瓷和尼龙等；为防止水汽进入壳体降低绝缘电阻，应密封表壳；此外，采用高的电源频率(～数MHz)