電容式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)與檢測電路的研究

趙軍榮，戴麗霞，劉雙峰

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山西 太原 030051）

0 引言

本文介紹的微小電容式加速度計(jì)由水銀和密封殼體上下兩極板組成。水銀所承受的加速度使其內(nèi)部產(chǎn)生不同的張力,形成不同的曲表面，從而導(dǎo)致電容的變化,電容的變化反映了加速度的變化。然后采用后續(xù)測量電路將電容變化轉(zhuǎn)換成電壓變化,從而將被測非電量信號轉(zhuǎn)換成電量信號。由于水銀電容加速度計(jì)體積很小,其電容量一般只有幾個(gè)到十幾個(gè)pF,因此要求檢測電路能夠檢測微小信號[3]。設(shè)計(jì)的水銀電容式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。后續(xù)電路采用Microsensors公司的電容檢測芯片MS3110作為測量電路,并使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對該芯片的內(nèi)部參數(shù)的調(diào)節(jié),使其能夠正常工作。

圖1 水銀電容加速度計(jì)原理示意圖

1 水銀微小電容檢測原理

如圖1所示水銀電容，水銀為敏感質(zhì)量塊，與上下固定電極構(gòu)成差分電容。假定水銀體積不變，當(dāng)外部加速度a=0時(shí)，水銀位于中間位置，水銀與上下端面電極接觸部分構(gòu)成的平行極板電容面積相等，即 C1=C2,當(dāng)外部有加速度時(shí)（a≠0時(shí)），水銀由于內(nèi)部壓力的作用，使得水銀與端面電極接觸部分構(gòu)成的平行極板電容面積發(fā)生變化，設(shè) r1,r2分別表示水銀與下端面和上端面接觸部分的半徑。如圖2所示，則可得電容表達(dá)式近似為：

式中： 為電容電介質(zhì)材料的介電常數(shù)；d為絕緣層的厚度。r1不等于r2，則C1不等于C2，因此原理上, 利用C1和C2的變化就能夠測得加速度的大小。通過合適的設(shè)計(jì)可以得到滿意的線性度,水銀的高彈性和大密度使該加速度計(jì)具有高靈敏度；水銀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固體彈性元件使該傳感器不易損壞且可恢復(fù)[4]。

圖2 圓柱腔中的水銀形狀剖面圖

2 檢測電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 MS3110芯片及基本電路

MS3110具有極低噪聲的通用電容讀出接口芯片（Universal Capacitive Readout ,UCR）, 適用于一般性能要求的MEMS電容式加速計(jì)。它即可測量單電容變化，也可以測量差動(dòng)電容的變化。MS3110芯片的模擬電壓輸出范圍為0.5～4V，其檢測范圍為0.25～10pF,理論精度達(dá)到4aF[5]。

MS3110基本電路主要由電容補(bǔ)償電路、電荷積分電路、采樣保持器、低通濾波以及放大器組成[6]。如圖3所示，CS1IN、CS2IN為被檢測電容，CS1、CS2為MS3110芯片內(nèi)部的可調(diào)補(bǔ)償電容，用于調(diào)節(jié)由于輸入電容的不對稱而引起的偏置。即當(dāng)CS1IN、CS2IN變化時(shí),輸出電壓會(huì)產(chǎn)生漂移,為抑制漂移,提高測量精度,必須對MS3110的內(nèi)部參數(shù)CS1、CS2進(jìn)行調(diào)節(jié)[7]。LPF為低通濾波器，Gain為可調(diào)增益環(huán)節(jié)。

圖3 MS3110基本電路

2.2 單片機(jī)、A/D電路及通信接口設(shè)計(jì)

MS3110采用調(diào)制解調(diào)的電容檢測方法，與其配套使用的是MS3110BDPC測試板。這里使用MSP430F169，通過MSP430寫入不同的控制字來對MS3110芯片的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,平衡外部容差,減小輸出電壓偏置,使其工作在較好的線性范圍內(nèi)。同時(shí)采用MSP430集成的12位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其集成的12位 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)200kbps，能夠滿足大多數(shù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便[8]。該單片機(jī)集成的A/D轉(zhuǎn)換器可采用內(nèi)部2.5V參考電壓或外部參考電壓，但其內(nèi)部參考電壓準(zhǔn)確性較差，在本系統(tǒng)中將MS3110的2.25V參考電壓輸出做為A/D的參考電壓。低功耗單片機(jī)與集成A/D轉(zhuǎn)換器的采用保證了系統(tǒng)擁有較低的功耗。硬件電路如圖4所示, P1.1口作為時(shí)鐘與MS3110的時(shí)鐘端相連, P1.2口與MS3110的SDATA 端相連,將64bite數(shù)據(jù)寫入芯片的shiftregister。CS1的調(diào)節(jié)范圍為0～10 pF, CS2的調(diào)節(jié)范圍為0.2～1.2 pF.采用的單片機(jī)集成的串行接口P4.0和P4.1口與上位機(jī)的通信接口相連，通過MAX3232芯片轉(zhuǎn)換為三線RS232接口與計(jì)算機(jī)串口直接相連，最終將數(shù)據(jù)通過異步傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)接?jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示和處理。

圖4 單片機(jī)對MS3110調(diào)節(jié)的硬件電路

2.3 數(shù)據(jù)顯示處理模塊

采用VC++6.0軟件，應(yīng)用C++語言編寫了系統(tǒng)的上位機(jī)軟件，軟件功能主要有：設(shè)置參數(shù)，與下位機(jī)通信，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)圖形化顯示，存儲(chǔ)，讀取等。軟件界面如5圖所示。

圖5 用VC編輯的顯示界面截圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在使用MS3110進(jìn)行測試前,必須確保該芯片工作正常。理論上輸出電壓V0與待測電容的關(guān)系如下：

通過單片機(jī)程序?qū)⑹街懈鲄?shù)設(shè)為: Gain=2 CF=9.728pF 。外部輸入電容CS2 IN=1pF,CS1IN=0pF,改變CS1、CS2的差值得到相應(yīng)的輸出,與理論值相比較,即可判斷芯片工作是否正常。所得結(jié)果如圖6所示。

圖6 理論曲線和實(shí)測曲線

從圖6可以看出,實(shí)測曲線與理論曲線非常接近,表明該芯片工作狀態(tài)良好。下面便使用此電路對水銀微小電容加速度計(jì)進(jìn)行測試。分別將C1、C2接入MS3110,得到的測試結(jié)果如表1所示（即差動(dòng)電容C2-C1）。

表1 加速度值與電容值的比較

把表1中數(shù)據(jù)顯示在圖7中，橫坐標(biāo)表示加速度值，縱坐標(biāo)表示電容值平均值。

圖7 加速度值與電容值的比較

從圖7中可以看出，水銀微小電容加速度計(jì)的線性度是比較理想的。表明此電路對于測量水銀電容加速度計(jì)是比較合適的。

4 結(jié)束語

本文采用電容專用測試芯片MS3110對加工出的微加速度計(jì)進(jìn)行了檢測,并使用單片機(jī)MSP430實(shí)現(xiàn)對該芯片的內(nèi)部參數(shù)的調(diào)節(jié),保證了MS3110具有良好的線性度和靈敏度。通過對水銀電容式微加速度計(jì)的檢測，證明了該檢測系統(tǒng)具有較高的測試精度，適用于微小電容式傳感器的檢測與研發(fā)。

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