当前课程知识点：微机电系统技术及应用 > 微惯性传感器 > 差分电容检测方式 > 差分电容检测方式
MEMS加速度计主要采用电容式传感器原理
关于电容式传感器
我们在硅微麦克风中已经介绍过了
现在我们来回顾一下
电容式传感器是一个可变电容器
传感器的敏感单元
比如膜片或者质量块
直接作为可动电极
或者与可动电极连在一起
被测量引起可动电极的变形或运动
改变了电容器的极板间距或重叠面积
从而改变电容
这样就把被测量转换为电信号
电容变化与间距变化之间的关系不是线性的
和重叠面积变化之间的关系是线性的
对于由两个电极构成的普通电容器
有平行平板电容器和梳指电容器两种
对于平行平板电容器
可动电极的运动可以改变间距也可以改变重叠面积
这由可动电极的弹性连接方式决定
梳指电容器的可动电极的运动方式是改变重叠面积
当然也包含间距的改变
但是可以忽略不计
在介绍硅微麦克风的时候
我们讲到了差分电容器
差分电容器由两个固定电极和中间的可动电极组成
其实是两个电容器
对于平行平板差分电容器
可动极板在固定极板正中间
初始状态下两个电容相等
可动电极在上下极板之间
做改变极板间距的运动时
将导致两个电容的变化量
大小相等 方向相反
但如果可动极板的运动是改变重叠面积
那么两个电容的变化相同
就不是差分电容器
梳指电容器也可以构成差分电容器
只不过固定电极和可动电极都是梳指形状的电极
每个可动电极的梳指
在两个固定电极的梳指之间
做改变间距的运动
导致一个电容增大 另一个减小
假设两个固定电极完全相同
当可动电极位于两个固定电极中间时
假设初始间距为g0
那么两个电容相等
电容之差 我们称为差分电容 等于0
当可动电极向一边运动时
一边间距减小 另一边增大
相应的两个电容一个增大一个减小
在可动电极位移很小的情况下
差分电容与可动极板的位移成线性
系数为初始电容和初始间距之比的2倍
不仅如此
差分电容的符号还能反映可动极板的运动方向
下面我们来看差分电容如何测量
把大小相等极性相反的偏置电压Vs
分别加载在两个固定电极上
可动电极上的电压可以通过电容器分压定律来计算
如果电容变化仅由间距变化引起
可以得到可动电极上的电压
与可动电极的位移成正比
系数为偏置电压与两个固定电极的间距之比
这样如果我们通过电压放大电路
来输出可动电极的电压
则这个输出信号与可动电极的位移成线性
但是由于直流信号测量时无法体现信号的极性
因此通常采用幅值相等极性相反的方波
或脉冲信号作为偏置
可动电极的输出信号为方波或脉冲信号
其幅值由可动电极的位移决定
极性由可动电极的运动方向决定
这样就可以实现对可动极板位移的检测
前面我们讲过差分电容器可以做成梳指形式
可动电极的每个梳指置于固定电极梳指之间
所有固定上电极连在一起
所有固定下电极连在一起
分别加载幅值相等极性相反的偏置信号
梳指差分电容器可以看作若干差分电容器的并联
可动电极的输出信号为单个差分电容器输出信号之和
这样的阵列结构
对于微加工技术来说是很容易制作的
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