第4章电容式传感器.ppt

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1、第4章 电容式传感器 1 电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，将被测非电非电量量的变化转换为电容量电容量变化的一种传感器。优点：优点：结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以能在高 温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作；可非接触测量可非接触测量；灵敏度高；响应时间短，适合在线和动态测量；极间的相互吸力十分微小，保证了比较高的测量精度；缺点：缺点：易受分布电容和外界干扰的影响，负载能力弱，存在非线性等。4.1 电容式传感器的工作原理及结构类型电容式传感器的工作原理及结构类型4.3 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路 4.4 硅电容式压力传感器硅电容式压力传感器4.5 电

2、容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路4.6 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 第4章 电容式传感器 24.1 电容式传感器的工作原理及结构类型一、工作原理及结构类型一、工作原理及结构类型二、变间隙式电容传感器二、变间隙式电容传感器 三、变面积式电容传感器三、变面积式电容传感器 四、变介电常数式电容传感器四、变介电常数式电容传感器五、电容式传感器的分类五、电容式传感器的分类第4章 电容式传感器 3一、工作原理及结构类型 电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容器是由两个金属平行板组成，且以空气为介质。如果不考虑边缘效应（初始d0很小时，可忽略），电容器的电容量：dSdS

3、Cr0S 两平行极板所覆盖的面积；d 两平行极板之间的距离；极板间介质的介电常数；0 真空介电常数（8.85410-12 Fm-1）r 介质相对真空的介电常数，r空气1，其它介质r 1。第4章 电容式传感器 4dSdSCr0 当被测量使得d、S或发生变化时，电容量C也随之变化。一般保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。d、S、(r)变化C变化U（或I、f）变化第4章 电容式传感器 5u 电容式传感器可分为三种类型：变间隙式（变极距式、变间距式）、变面积式和变介电常数式。（a a）、（）、（b b）变间隙式；（）变间隙式；（c c）、（）、（d d

4、）、（）、（e e）、（）、（f f）变面积式；）变面积式；（g g）、（）、（h h）变介电常数式）变介电常数式第4章 电容式传感器 6二、变间隙式电容传感器 设初始电容 00dSC2020000011111dddddSdddSddSdSC 若电容器极板距离由初始值d0变化了d，d1=d0d，其电容量dSC第4章 电容式传感器 7当 dd0时，0000011ddCCdddSC 此外由上式和曲线图可以看出，d0 越小，灵敏度越高，但非线性增加。0001ddCCCC001/ddCCK 静态灵敏度：静态灵敏度：这时C 与d 近似呈线性线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器往往是设计成d 在极小的

5、范围内变化。相对非线性误差：相对非线性误差：%100/%100/)/(0020ddddddL可简化为 第4章 电容式传感器 8 d0 减小会导致非线性误差增大，且 d0 过小时，容易引起电容器击穿。改善耐压性能的办法是在极板间放置高介电常数的材料（云母片、塑料膜等）。此时电容 C 变为 00000g1ddSCCCCCggg式中 g=7云母的相对介电常数；0 真空介电常数；dg 云母片的厚度；d0 空气气隙厚度。云母的相对介电常数为空气的7倍，其击穿电压不小于103 kV/mm，而空气的击穿电压仅为3kV/mm，即使厚度为0.01mm 的云母片，它的击穿电压也不小于10kV/mm。因此有了云母片

6、，极板之间的起始距离可以大大减有了云母片，极板之间的起始距离可以大大减小小。同时分母中的dg/g 项是恒定值，它能使电容式传感器的输出特性的线线性度得到改善性度得到改善，只要云母片厚度选取得当，就能获得较好的线性关系。第4章 电容式传感器 9 一般变间隙式电容式传感器的起始电容在2030pF 之间，极板距离在25200 m的范围内，最大位移应该小于间距的1/10。此类电容传感器仅适于较小位移较小位移的测量，但分辨率极高分辨率极高，可测0.01m 的线位移。但是，这么小的极板距离使两极板间的静电引力会对位移的测量带来影响。为减少这种影响，同时进一步提高灵敏度，又可改善线性的常用方法是采用差动差动

7、结构。差动式变间隙电容传感器差动式变间隙电容传感器 在实际应用中，常常把传感器做成差动的形式。当动极板移动后，C1 和C2 成差动变化，即其中一个电容量增大，而另一个电容量则相应减小。第4章 电容式传感器 10CCC01CCC02dddddd0201,动极板上移：021ddd0021dSCCC 初始位置时)()(1 3020001 ddddddCC)()(1 3020002 ddddddCC电容总的变化为：)(22300021 ddddCCCC电容相对变化为：)()(1 2402000 ddddddCC第4章 电容式传感器 11002ddCC当 d/d0 d，否则边缘不均匀电场影响将增大。相对

8、灵敏度灵敏度灵敏度、相对灵敏度均为常数。dbxCKaxaxxCCKC1/0定极板定极板动极板动极板F 平板式极板做线位移测量最大不足之处是对移动极板平行度要求高，稍有倾斜则极距 d 变化，影响测量精度。因此在一般情况下，变面积式电容传感器常做成圆筒形的。第4章 电容式传感器 163.圆筒线位移 在初始的位置（即x0）时，动、定极板相互覆盖，此时电容量为 1010ln8.1DDlClxCCC00当动极板发生位移 x 后，其电容量为 即 C 与 x 基本上成线性关系。采用圆筒形电容器的原因，主要是考虑到动极板稍作径向移动时，不影响电容器的输出特性。圆筒型电容器不能用作改变极距的传感器。圆筒型电容器

9、不能用作改变极距的传感器。采用差动结构，可使灵敏度提高一倍。第4章 电容式传感器 17 n层重叠极板组成的多片型电容传感器具有类似的单片电容器的（n1）倍电容量。多片型相当于一个大面积的单片电容传感器，但是它能缩小尺寸，也可提高灵敏度。对于同样位移x，单片电容器电容变化C，而多极板电容器电容变化为（n1）C。平板一极多板变面积电容式传感器F为提高初始电容、分辨率和灵敏度，可制成一极多板的形式。线位移线位移角位移角位移第4章 电容式传感器 18齿形极板当极板的齿数为n时，xdbCnnCCxx0 xdbnnCCCCCxx00灵敏度为 dbnxCK是单极板的n倍。移动x后00nCC 齿形极板也是多极

10、板变面积式电容传感器。圆筒形极板第4章 电容式传感器 19四、变介电常数式电容传感器（a）图为测电介质厚度厚度x；（b）图为测位移量位移量x；（c）图为测液面液面位置和液量液量；（d）图为根据介质的介电常数随温度、湿度、容量改变来测温度温度、湿度湿度、容量容量等。第4章 电容式传感器 20 设在电极中无2 介质时的电容量为C0，即 2110ddblC21212100BA1ddlxCCCCC表明电容量C与位移x成线性关系。以（b）为例，其电容量为 1122A1ddbxC121B1ddxlbC式中 b 极板宽度。第4章 电容式传感器 21线位移角位移圆筒形平板形电容式传感器五、电容式传感器的分类

11、变间隙式电容传感器变面积式电容传感器变介电常数式电容传感器 圆筒形传感器不能用作改变极距的位移传感器。一般来说，差动式要比单组式的传感器好。差动式传感器不但灵敏度高而且线性范围大，并具有较高的稳定性，抗干扰能力强。为提高初始电容、分辨率和灵敏度，有些电容式传感器可制成一极多板的形式。第4章 电容式传感器 224.3 电容式传感器的等效电路 RP为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。由等效电路可知，等效电路有一个谐振频率，通常为几十兆赫，当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，应该选择低于

12、谐振频率的工作频率应该选择低于谐振频率的工作频率，否则电容传感器不能正常工作。RS代表串联损耗，即引线电阻、电容器支架和极板的电阻。这个损耗在低频时是极小的，随着频率的增高，此值增大，但即使在几兆赫频率下工作时，此值仍很小。因此只有在很高的工作频率时，才加以考虑。电感L 由电容器本身的电感和外部引线电感组成。它与电容器的结构和引线的长度有关。第4章 电容式传感器 234.4 硅电容式压力传感器 第2章中的压阻式传感器是当前半导体压力敏感器件的主流，它利用的是半导体的压阻效应。若把半导体膜片在压力作用下的形变与电容器的电容量变化联系起来，可构成一种新型传感器，即硅电容式压力传感器。这种传感器温度

13、稳定性好、耗电少、易于集成。一、硅电容式压力传感器的结构一、硅电容式压力传感器的结构 二、膜片形状与灵敏系数二、膜片形状与灵敏系数第4章 电容式传感器 24一、硅电容式压力传感器的结构 硅电容式压力传感器的核心是构成一个对压力敏感的电容器对压力敏感的电容器。电容器的一个极板位于玻璃衬底下方，另一个极板位于十几微米厚的硅膜上。压力感知电容为CP。硅膜片是用各向异性腐蚀技术在几百微米厚硅衬底上从正反两面腐蚀形成的。两极板间距由从硅衬底正面腐蚀深度决定。间距可小到15m，这就是硅电容式压力传感器灵敏度高的重要原因。为避免上下铝极板短路，提高耐压，在中间淀积一层SiO2。目前玻璃衬底已用硅衬底替代，并

14、用硅硅键合工艺。用集成电路技术在做出硅膜片微型电容器的同时，还做出校正用电容器CR。IC 振荡电路把压力变化引起的电容变化转换为脉冲信号输出。第4章 电容式传感器 25 右图是另一种形式的硅电容式传感器。首先在硅衬底上先制作下电极Al；然后淀积一层 SiO2，用光刻方法形成 SiO2岛；再淀积一层 Si3N4（氮化硅）或多晶硅，去掉 SiO2 岛（也可不去），就形成一个 Si3N4 或多晶硅薄膜腔；制作上电极，就形成一个半导体敏感电容器。极板间距由 SiO2 岛和 Si3N4（或多晶硅）厚度决定。目前，薄膜沉积技术趋于成熟，膜厚能严格控制。与膜片式比较，工艺简单，可避免各向异性腐蚀加工和阳极焊

15、接键合等复杂工艺。第4章 电容式传感器 261.圆形膜片 膜片半径为 a，铝电极半径为 b（一般 b:a=7:10），膜片厚为 h，当膜片两侧无压差时，极板间距为d0。此时电容量为二、膜片形状与灵敏系数 硅电容式压力传感器的膜片形状有圆形硅膜片和方形硅膜片两种。020dbC 当膜片两侧有压力差P 时，即有变化的压力作用在膜片外侧上，在膜片中心有最大位移 W（0）即d，此时电容也变化为 Cx。如 d0 2m，a 500m，b=350m，h=20m，硅片弹性模量E=1.71011Nm2，则有 第4章 电容式传感器 27pF7.1020dbC 在1.013105 Pa 的压力差作用下，W(0)0.7

16、7m，电容由C0 Cx 03040225.11.01CEphdaCCx 从上述实际尺寸和数值看出：pF3825.0225.00CC 硅电容式压力传感器的集成元件尺寸很小，在压力作用下的电容量变化（绝对值）也很小。外界干扰信号、寄生电容、杂散电容等的影响是很大的。若把信号调理电路与敏感器件近距离做在同一芯片上，可减少干扰，使寄生电容小而稳定。所以必须使硅电容式压力传感器集成化才有实际使用价值。第4章 电容式传感器 282.方形膜片：膜片尺寸为 aa，铝电极尺寸为 bb，其余尺寸与圆形膜片相同。其压力差与位移的关系可用有限差分法分析，仍近似地有如电容式传感器的关系 00ddCC式中，d为有效位移，它与膜片中心最大位移的关系为 01WKd 定义压力灵敏系数为 pCCKP0/方形膜片尺寸较大时受力分析较困难，且应力集中在膜片中心。在尺寸较小时，比圆形膜片位移量大，压力灵敏度高在尺寸较小时，比圆形膜片位移量大，压力灵敏度高。第4章 电容式传感器 294.5 电容式传感器的测量电路 电容式传感器除采用电桥作为信号调理电路外，还可借助多种信号调理电路把微小的电容变化转换成与之成正比的电压、电流或频率