摘要：介绍了一种可用于差动电容敏感的加速度传感器的信号检测电路，给出了在电路中所用的电子元器件，同时进行分析，得到电路的输出电压和传感器信号电容变化量之间的关系。实验结果表明，该电路的线性高，测量差分电容变化的灵敏度好，是一种具有实用价值的微差分电容测量接口电路。
关键词：电容式加速度传感器；接口电路；信号调理
中图分类号：TP212.12 文献标识码： A
一、前言
微机械电容式加速度计是以MEMS技术为基础发展起来的微型加速度传感器，其敏感部位为差分电容结构，可利用差分电容的变化来反映被测加速度信号的情况，具有测量精度高、温度效应低、功能较多等优点，是目前广为关注、研究开发度极高的一种微型加速度传感器。它突出的优点在于其后续接口电路可以较大程度的消除非线性，将产品的灵敏度提高一倍，同时也使非线性因素成为高阶分量。
二、基本结构和测量原理
电容式加速度传感器基本结构框图如图1，其由惯性敏感单元和伺服电子线路两部分组成。惯性敏感单元包括上下两个固定电极和中间用作动电极的敏感质量块，它们用静电键合工艺封装在一起，形成上下两个差动电容。伺服电子线路则主要由位移检测电路、电路增益、静电力矩器三部分构成。位移检测电路用来检测敏感质量块的位移；为减小寄生电容，采取电路增益部分完成滤波放大功能。在图1中，电极1与3构成的可变电容为C1，而动电极2与定电极3构成的可变电容为C2。当电极3受到加速度作用而上下移动时，电容C1、C2的容值发生相反的变化，其差分电容DC同样变化。设动电极运动偏离原平衡位置为Dd，可变电容C1两极板间距离变为d-Dd，C2极板间距为d+Dd，则DC为：
DC=ε0S （1）
由于微机械电容式加速度传感器的芯片的动电极间距在微米量级，则通常情况下Dd«d，则（1）式可
以简化为： （2）
由于DC的变化量很小，其数值比C1、C2小一个数量级以上。因此，相应接口电路对小电容需要有较高的感应能力。
三、电路组成
传感器后续的接口电路由脉冲宽度调制电路、有源低通高Q值滤波器、高线性差分放大器组成。
1、电容脉宽调制电路
该检测电路的基本原理是通过触发器对电容的充放电，来调整电路输出的脉冲宽度，其电路构成如图2所示。图2中C1、C2为差分电容器；A1、A2为电压比较器，参考电压为Ur；D1、D2为放电二极管，为双稳态触发器。当电路工作时，双稳态触发器的Q、 端输出互补脉冲，设某时刻Q端为高电位，
端为低电位，则Q端要开始经过R1对C1充电，直到P1点电位等于比较器A1的参考电压Ur时为止。此时，触发器电位发生翻转，Q端为低电位，
端为高电位。翻转后，C1开始经过R1放电，同时
端开始对C2充电，直到P2点电位等于Ur，比较器A2将输出脉冲使触发器再次发生翻转；Q端为高电位，
再次变为低电位。这样触发器输出的脉冲宽度将受到C1与C2的调制。假设L0和DL分别表示差分工作电容平衡情况下的极板距离和其位移的变化，当动极板按照频率w0变化时，若以M=△L /L0表示动极板的相对位移，可得M=DL /L0=sin(w0t)。用傅立叶表示输出电压[2]为：
VOUT=MVsin(w0t)+ (3)
当w《w0时，用低通滤波器滤掉w成分，则(1)式可变为VOUT=MVsin w0t。
可以看出差动脉冲调宽电路有效解决了电容传感器的非线性问题，只要用低通滤波器即可得到较大的直流。其载送信号的频率可以调节，而且频率变化对输出影响小，并且响应外部激励仅决定于加速度计自身的动态特性，输出的电压响应动态范围广，较易与被测电容变化量成线性关系。
2、高Q值有源低通滤波器
图3所示为高Q值有源低通滤波器的示意图，其结构属于负反馈类型，并且阻尼系数对无源器件的灵敏度与阻尼系数α数值本身无关，因而这种滤波器的Q值可以做的较高。使传递函数的一个零点和极点重合，让下式成立：
则传递函数可以写为：
K（p）= （4）
现取值采用R1=R2=R3=R4=R，此时得到：
C1=C3= ，C2=
，Kp=1
从上面关于灵敏度的关系式可以看出，其仅和C1、C2有关，而与灵敏度阻尼系数α本身无关。因此可以用在需要Q数值高的场合，增强辨别有用信号的能力，并且输入输出阻抗容易匹配，使该电路适合用于信号处理。
3、增益线性调节的差动放大器
图4给出了差动放大器的结构图形，其前置级由两个电压跟随器A1、A2组成，它们把差动输入信号和共模输入信号按照原来的比例输入到输出级，起到了隔离信号和增大输入阻抗的作用。A4是反相比例运放器，其输出信号从A3的同相端输入，且被置于A3输出级的反馈电路中，保证了A3输出的负反馈性，且有相位滞后补偿的作用。电位调节器是RW，改变它的大小，能线性的调节输出级的增益，从而实现整个电路增益线性调节的任务。电路闭环增益KF的表达式为：
（5）
从该式看出，闭环增益与电位器的电阻成正比，且改变该电阻时不影响电路的共膜抑制能力。此电路的输入阻抗和共膜抑制比较高，由于使用了电压跟随器A1、A2，它们的带宽和上升速率应当选高一些的，且差动运算放大器的增益能被线性调节，有效的抑制了信号中的共膜噪声。
四、实验结果
现以硅微机械加速度传感器测试此电路性能，将该传感器放置在不同加速度下，求得其对应电压值如表1所示。从实验数据看出，电路的线性度高，且一致性能优良。
五、结束语
对于微型电容式传感器而言，微差分电容的测量意义很重要。由于结构电容很小，一般仅为几个波法左右，那么其差分电容的变化量更小，要提取电容变化信号，难度较大。本文介绍的后续接口电路，结构简单，对微小差分电容的变化检测灵敏度高，且测量精度较高，是一种可用于微机械电容式加速度传感器的差分电容测量的接口电路。
参考文献：
[1] 李宝清，陆德仁，王渭源.高线性微机械差分电容式加速度计测量电路[J]. 测控技术,1999,18(10)：12-14.
[2] 栾云，唐旭辉，吴朝霞.差动式电容加速度传感器[J]. 传感器技术,1997,16(6)：21-24.
[3] 张郁弘，庄灿涛.晶体管运算放大器及其应用[M].北京：国防工业出版社，1978.407-408.
[4] 李清泉，黄昌宁.集成运算放大器原理与应用[M].北京：科学出版社，1980.213-214.
[5] 陈宇晓，刘昌孝.电容式微机械静电伺服加速度计模型建立[J]. 探测与控制学报,2003,25(1)：29-33.
[6] 王宏伟，张伟，林宇.差动电容式力学传感器的信号提取电路[J]. 电子元件与材料,2003,22(3)：10-12.
