MEMS传感器的原理与构造——MEMS电容式传感器的一般构造

        电容式位移传感器具有十分广泛的应用，它们直接用于测量位移和位置，也用于能够产生位移的力、压力、温度等等传感器的构建模块。电容式探测器几乎对所有材料敏感的特性，使其成为很多应用的诱人选择。

        公式1表明，平板电容器的电容反比于平板之间的距离。电容式测量、接近和位置传感器的工作原理，或是基于几何结构的改变（即电容器极板之间的距离），或是在导电或介电材料存在时基于电容值的变化。电容变化时，可转换成变化的电信号。如同很多传感器一样，电容式传感器可以是单极的（仅使用一个电容器），差动的（使用两个电容器），或采用电容式电桥（使用四个电容器）。使用两个或四个电容器时，其中一个或两个电容器可以是定值的，或是反相变化的。

                 (1)

图1 平板电容式传感器的工作原理：a 平衡位置，b，非平衡位置

        作为一个入门的例子，考虑三个面积都为A的等间距极板（图1a）。这些极板形成两个电容C1和C2。给上、下极板施加反相的正弦波信号，即信号相位偏转180°。两个电容几乎彼此相等，因而中心极板对地几乎没有电压——C1和C2上的电荷互相抵消。我们假定中心极板向下移动距离x（图1b）。这导致各电容值发生变化：

公式2

        中心极板的信号与位移成比例增加，信号的相位表明中心极板移动的方向——上或下。输出信号的幅值为,公式3

        只要x<

        在另一种设计中，两个独立的极板采用MEMS技术制造（图2）。极板经硅的微机械加工制成。一个极板作为位移的测量，另一个作为基准。两个极板具有几乎相同的表面积，不过测量极板由四个柔性悬挂支撑，基准极板则由硬性悬挂固定。这种特殊设计对加速度计特别有用。 

图2 一种双极板电容式位移传感器：a,微机械加工感应板， b,感应和基准版的不同悬挂

图3 电容式探头，a,带有保护环的截面图，b,外观

        在很多实际应用中，测量至导电物体的距离时，物体的表面本身可以作为电容器的极板。一种单极电容式传感器设计示于图3，其中电容器的一个极板连接至同轴电缆的中心导线，另一个极板由目标（物体）构成。

        注意这个探头极板由接地护套包围，以使边缘效应最小化，改善线性度。典型的电容式探头工作在3MHz范围的频率，能够非常快地探测移动目标，因为带有内置电子接口的探头的频率响应在40kHz的范围。

        电容式接近传感器用于导电物体时效率很高。传感器测量电极和物体之间的电容。然而即使是对于不导电物体，这些传感器也能相当有效地使用，尽管精确度稍差。任何物体，不管是导体或非导体，置于电极附近时，都具有其自身的介电特性，会改变电极和传感器封装之间的电容量，进而产生可测量的响应。

        为了改进灵敏度并减小边缘效应，可为单极电容式传感器提供有源屏蔽。有源屏蔽的目的是消除感应电极和目标物体的无关部分之间的电场，从而使寄生电容几乎不存在。有源屏蔽围绕电极的非工作侧配置，施加与电极相等的电压。因为屏蔽和电极电压同相且幅度相同，在这两者之间和所有位于屏蔽内的部件之间都没有电场存在，对操作不会有影响。有源屏蔽技术在图4中加以说明。

图4 电容式接近传感器中围绕电机的有源屏蔽

图5，平行板电容式电桥传感器，a极板排列，b,等效电路图 

        现在，电容式电桥在位移传感器设计中越来越常见。一种线性电桥式电容位置传感器示于图5a。传感器由两组平面电极组件构成，平面相互平行，以恒定的间距d相邻。为增加电容，极板组之间的空间相对较小。固定极板组包括四个矩形组件，移动极板组包括两个矩形组件。所有六个组件具有大致相同的尺寸（一个边长为b，另一个边长为L）。在需要大范围的线性度时，每个极板的尺寸要在机械上实际能实现的情况下尽可能的大。固定组的四个电极在电路上交叉连接，从而形成电桥式电容回路。

        电桥激发源提供正弦电压（5～50kHz），移动极板对之间的电压差由差动放大器检测，放大器输出连接至同步检波器的输入。具有固定间距的两个平行极板的电容，正比于一个极板直接面对另一极板相应区域的面积。图5b表示具有电容电桥结构的传感器的等效电路。电容器C1的值为

公式5

        其它电容由同一公式导出。要注意相对的电容基本相等：C1=C3，C2=C4。处于完全对称位置的极板相互偏移，导致电桥失衡，产生差动放大器的相敏输出。电容电桥电路的优点是与任何电桥电路一样的：线性度和外部噪声的抑制。除了上述的平板电极，同样的方法可用于传感器的任何对称配置，例如探测转动。