电容信号的检测方法在线视频

前面我们学习了硅微麦克风

如何把声音转换为膜片振动

又如何把膜片振动转换为电容信号

那么接下来我们就要看电容信号如何检测

我们知道硅微麦克风可以看作

是由膜片 背板和空气间隙构成的

微型平行平板可动电容器

可以写出它的电容公式

这是真空介电常数

空气相对介电常数为1

A是极板重叠面积

因为可动电极的运动方式是改变极板间距

所以我们把极板间隙用位移变量x来表示

电容器的电压等于极板上的电荷电量比电容

电荷电量等于电压乘电容

如果电容器的偏置方式是保持电荷电量不变

那么我们可以通过检测电容器上的电压信号

来检测膜片的振动

可以看到 电压信号与振动信号之比是常数

说明这种检测方式是线性的

如果电容器的偏置方式是保持极板两端电压不变

我们可以通过检测电荷电量来检测膜片振动

但是可以看到

电荷信号与振动信号之比与位移平方成反比

说明这种检测方式是非线性的

所以我们可以看到

电容器有恒流偏置和恒压偏置两种偏置方式

就有两种对应的检测电路

恒流偏置对应电压放大电路

恒压偏置对应电流放大电路

下面我们就分别来学习

先来看恒流偏置

恒流偏置怎么实现呢

这是可变电容器

上面是带孔的背板 为固定电极

下面是膜片 为可动电极

初始间距为g0

膜片位移用g’来表示

如果直流电压VB

是通过一个非常大的电阻Rb加载在电容器上

那么可以认为电路中没有电流

电源VB向电容器充电

电荷全部加在电容上

由于电阻Rb非常大

所以电容的充放电时间常数足够大

这样就使得当电容快速变化的时候

电荷量能够保持不变

这样就实现了恒流偏置

对于恒流偏置

我们检测电容器上的电压信号

因为这个信号非常小

所以需要一个电压放大电路

VB是直流偏置电压

Rb是阻值非常大的偏置电阻

这里我们用C1表示可变电容器的电容

那么电容器上的电压就是电荷比电容

因为电荷是恒定的

等于初始电容乘以偏置电压

那么电压放大器的输出电压

等于偏置电压减去电容电压

我们把电容电压带进去

得到输出电压与可动极板的位移g’之间为线性关系

系数为偏置电压与初始间距之比

这表明我们可以通过检测电压放大器的输出电压信号

实现对膜片振动的线性检测

恒压偏置就是把直流偏置电压VB

直接加载在电容器上

使电容器的电压保持不变

通过检测电容器上的电荷量变化

来检测可动电极的位移

同样因为这个信号太小

因此需要采用电荷放大电路

电荷放大器的输入信号为电容器上电荷量的变化

输出信号等于输入信号比上反馈电容

可以看到

电荷放大器的输出信号与膜片振动之间不是线性关系

但是因为膜片的振动非常微小

g’远小于g0

所以可以得到一个近似线性关系

电容式传感器经常采用差分测量法

宏观领域有很多差分电容式传感器

那么在微系统中

也常常采用差分形式

对于硅微麦克风

通过双背板结构构成差分电容器

膜片在两个固定背板之间

构成两个完全对称的可变电容器

当膜片在声压作用下振动时

两个电容器的电容变化大小相等方向相反

可将两个电容器的输出信号进行差分

这是差分式硅微麦克风膜片和背板的扫描电镜图

上下背板带有声学孔

中间是振膜

差分电容器也有恒流和恒压两种偏置

相应的也有电压放大和电流放大两种信号放大电路

我们先来看恒流偏置

两个固定电极上

分别加载大小相等方向相反的直流偏置电压

两个偏置电源的另一端

通过一个阻值很大的电阻

连接到可动电极上

当电阻足够大时

两个电容器上的电荷电量

将不随可动极板的运动而发生变化

这样就实现了恒流偏置

在恒流偏置下我们检测的是差分电压信号

那么我们可以写出两个电容器的分压公式

也可以分别写出两个电容器上的电压

与输入输出电压的关系式

联立起来就可以写出输出电压的表达式

可以看到

这个差分电压信号和我们前面讲的

单独一个电容器的输出信号相同

灵敏度并没有提高

再来看恒压偏置的情况

这种情况下

我们在两个固定极板上

分别加载大小相等方向相反的偏置电压

两个电源的另一端直接接到可动电极上

这样可以保持两个电容器上的电压保持不变

这就是恒压偏置

恒压偏置下

我们采用电荷放大电路

电荷放大器的输入电荷

等于两个电容器上的电荷变化量之和

放大器输出电压信号等于输入信号比上反馈电容

在可动电极的位移非常小的情况下

可以得到近似的线性关系

可以看到

相对于单个电容器

差分电容结构将灵敏度提高了一倍

所以差分式硅微麦克风通常采用恒压偏置和电荷放大电路

信噪比显著提高