一種基于開(kāi)關(guān)電路的微電容差檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電容檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于開(kāi)關(guān)電路的連續(xù)可變分辨率電 容傳感器輸出電容變化量檢測(cè)方法.
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著半導(dǎo)體微電子、材料、微機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)藥等新興交叉學(xué)科的發(fā)展及融合， 電容傳感器得到了廣大科研工作者、工程師的重視和研究，被廣泛的應(yīng)用于化工、醫(yī)療和制 造等行業(yè)中.
[0003] 電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)性能良好和不容易受溫度變化影響 的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于壓力、距離和液位等物理量的精密測(cè)量中，具有廣闊的應(yīng)用前景.因 此，對(duì)電容傳感器的輸出電容進(jìn)行精確測(cè)量十分重要.
[0004] 然而目前電容測(cè)量傳感器技術(shù)還存在以下兩個(gè)問(wèn)題：
[0005] -、隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)電容式位移傳感器向高精度，微小型發(fā)展，對(duì) 電容的檢測(cè)要求越來(lái)越高.物理量引起的電容變化非常小，而電容本身的本底電容相對(duì)而 言非常大.如MEMS電容傳感器通常情況下其檢測(cè)電容在1(T 12F，檢測(cè)電容的變化范圍為10- 15F級(jí).再比如說(shuō)在三維電容式位移傳感器的研究中，本底電容高達(dá)20pF，但是變化電容只有 十幾 fF.如此微小變化的電容，有用輸出信號(hào)非常微弱，同時(shí)，由于寄生電容的影響，電容傳 感器信號(hào)往往淹沒(méi)在外界干擾中，增加了測(cè)量難度，且雜散電容和寄生電容會(huì)隨著電路結(jié) 構(gòu)、環(huán)境溫度、內(nèi)外電場(chǎng)等因素而不同，具有很大的不確定性，如何提高測(cè)量靈敏度和信噪 比成為微電容式檢測(cè)的關(guān)鍵.
[0006] 二、現(xiàn)有的微檢測(cè)技術(shù)按集成度可以分為兩種，一種是利用分立元件設(shè)計(jì)的測(cè)量 電路.另一種是利用集成芯片設(shè)計(jì)的測(cè)量電路.利用分立元件的檢測(cè)電路，量程寬，但由于 抗干擾性差，分辨率差，一般只有O.lpF.而利用集成芯片的檢測(cè)技術(shù)，分辨率高達(dá)O.lfF，但 是量程不寬，一般只有幾 PF.可見(jiàn)，由于傳統(tǒng)電容傳檢測(cè)方法本身的設(shè)計(jì)使得測(cè)量的量程與 測(cè)量分辨率之間是矛盾的關(guān)系，要么犧牲分辨率換取量程、要么犧牲量程換取分辨率，這嚴(yán) 重限制了傳統(tǒng)電容檢測(cè)方法在測(cè)量微小電容變化量中的性能.
[0007] 綜上所述，現(xiàn)有的微電容檢測(cè)技術(shù)存在兩個(gè)缺點(diǎn)：
[0008] (1)傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)量電容的絕對(duì)值，本地電容對(duì)輸出結(jié)果有影響；
[0009] (2)傳統(tǒng)測(cè)量方法量程一旦確定，分辨率不可變.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于開(kāi)關(guān)電路的微電容差檢測(cè)方法，將物理 量直接轉(zhuǎn)換成了電容的變化量，消除了傳感器的本底電容對(duì)測(cè)量的影響，增大了測(cè)量范圍， 提高了檢測(cè)靈敏度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微電容變化量的直接測(cè)量.
[0011] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0012] -一種基于開(kāi)關(guān)電路的微電容差檢測(cè)方法，該開(kāi)關(guān)電路包括可變電壓源VI、可變 電壓源V2、電子開(kāi)關(guān)S1、電子開(kāi)關(guān)S2、待測(cè)電容傳感器輸出電容、參考電容、放大電路。所述 的電子開(kāi)關(guān)S1-端與可變電壓源VI相連，另一端與待測(cè)傳感器輸出電容一端相連，待測(cè)傳 感器輸出電容另一端接地;所述的電子開(kāi)關(guān)S2-端與可變電壓源V2相連，另一端與參考電 容一端相連，參考電容另一端接地;所述的電子開(kāi)關(guān)S1和電子開(kāi)關(guān)S2并聯(lián)后與放大電路一 端相連，放大電路另一端為輸出電壓.該檢測(cè)方法包括如下步驟：
[0013] 可變電壓源VI通過(guò)電子開(kāi)關(guān)S1給待測(cè)電容傳感器輸出電容充放電，可變電壓源V2 通過(guò)電子開(kāi)關(guān)S2給參考電容充放電，電子開(kāi)關(guān)S1和電子開(kāi)關(guān)S2并聯(lián)之后為放大電路供電， 當(dāng)電子開(kāi)關(guān)S1閉合時(shí)，電子開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，當(dāng)電子開(kāi)關(guān)S2閉合時(shí)，電子開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，通過(guò)以下 公式計(jì)算充放電一次輸出的電荷：
[0014] ViCx-V2Cr
[0015] 在放大電路輸出端會(huì)產(chǎn)生電壓：
[0016]
[0017] 那么每充放電一次，就會(huì)在放大電路的輸入端積累電荷V(Cx-Cr)，充放電η次，就可 以累積電荷：
[0018] (ViCx-V2CR)n
[0019] 累積電荷再通過(guò)放大電路可在放大電路輸出端產(chǎn)生電壓：
[0020]
[0021] 在靜態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)可變電壓源VI或可變電壓源V2使輸出為0;動(dòng)態(tài)時(shí)，改變待測(cè)電容 傳感器輸出電容Cx，貝lj有輸出：
[0022]
[0023] 已知Ck，η，Vi，測(cè)量出電壓Vqut，通過(guò)公式：
[0024]
[0025] 即可計(jì)算得出電容變化量，且測(cè)量分辨率取決于電容充放電次數(shù)η.
[0026] 優(yōu)選地，所述電子開(kāi)關(guān)S1、電子開(kāi)關(guān)S2采用模擬開(kāi)關(guān)電路構(gòu)成，具有快速開(kāi)關(guān)、低 的開(kāi)關(guān)電阻的特征.
[0027] 優(yōu)選地，所述變電壓源VI、變電壓源V2可采用壓控可調(diào)增益放大器構(gòu)成，具有大范 圍線(xiàn)性調(diào)節(jié)特征.
[0028] 優(yōu)選地，所述放大電路采具有高開(kāi)環(huán)增益、低失調(diào)電流、低失調(diào)電壓的放大電路. [0029]本發(fā)明具有以下有益效果：
[0030]實(shí)現(xiàn)了將待測(cè)電容的絕對(duì)值轉(zhuǎn)換成待測(cè)電容的變化量，消除了傳感器的本底電容 對(duì)測(cè)量的影響，本發(fā)明測(cè)量分辨率取決于電容導(dǎo)通次數(shù)η，可在不犧牲測(cè)量量程的情況可根 據(jù)需求改變測(cè)量分辨率.
【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的原理不意圖；
[0032]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的具體實(shí)施示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步 詳細(xì)說(shuō)明.應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā) 明·
[0034] 如圖1-2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于開(kāi)關(guān)電路的微電容差檢測(cè)方法，該開(kāi) 關(guān)電路包括可變電壓源VI、可變電壓源V2、電子開(kāi)關(guān)S1、電子開(kāi)關(guān)S2、待測(cè)電容傳感器輸出 電容、參考電容、放大電路.所述的電子開(kāi)關(guān)S1-端與可變電壓源VI相連，另一端與待測(cè)傳 感器輸出電容一端相連，待測(cè)傳感器輸出電容另一端接地;所述的電子開(kāi)關(guān)S2-端與可變 電壓源V2相連，另一端與參考電容一端相連，參考電容另一端接地;所述的電子開(kāi)關(guān)S1和電 子開(kāi)關(guān)S2并聯(lián)后與放大電路一端相連，放大電路另一端為輸出電壓.該檢測(cè)方法包括如下 步驟：
[0035]該檢測(cè)方法包括如下步驟：
[0036] 可變電壓源VI通過(guò)電子開(kāi)關(guān)S1給待測(cè)電容傳感