差分電容式傳感器檢測電路的製作方法

2023-07-11 23:03:56 1

專利名稱：：差分電容式傳感器檢測電路的製作方法
技術領域：
：本發明涉及微弱信號檢測技術，具體是一種差分電容式傳感器檢測電路。技術背景目前，MEMS器件一差分電容式傳感器的檢測電路有多種方法和電路來實現1、電容信號轉化成頻率信號方法；2、相位測量法；3、採用開關電容電路；4、採用調製解調型電路等，其中，在調製解調型電路中，經常採用的電路如下所述輸出端與差分電容式傳感器活動極板相連的波形信號發生器、輸入端分別與差分電容式傳感器的兩固定電極相連的兩路C-V轉換電路、加法器、與加法器輸出端相連的全波整流電路、與全波整流電路輸出端相連的低通濾波電路、與低通濾波電路輸出端相連的跟隨輸出電路，一路C-V轉換電路的輸出端經反相器後與另一路C-V轉換電路的輸出端與加法器的輸入端相連。但由於差分電容式傳感器所產生的信號極其微弱，一般都在PF量級，其電容變化量AC—般在10-15~10-18F，要檢測如此小的微小電容變化量，對檢測電路中的各部分電路的選取尤為重要，就目前所採用的檢測電路來說，其檢測精度不高，仍需要進一步優化；另外，檢測電路一般都是製作在PCB板上的，其分布電容和寄生電容較大，使檢測電路信噪比較低，很難檢測到10-15~10-18^大小的電容變化量，不但限制了檢測電路檢測精度的提高，而且體積較大，使用條件受限，可靠性低。這就對檢測電路的設計以及製作工藝提出了更高的要求。
發明內容本發明為了解決現有差分電容式傳感器採用的調製解調型檢測電路存在檢測精度不高的問題，提供了一種差分電容式傳感器檢測電路。本發明是採用如下技術方案實現的差分電容式傳感器檢測電路，包括波形信號發生器、C-V轉換電路、反相器、加法器、全波整流電路、低通濾波電路、跟隨輸出電路，所述全波整流電路包括集成運放U1B和三極體Q1，集成運放U1B的反相端經電阻R21與加法器的輸出端out2相連，同相端經電阻R19、R20與加法器的輸出端out2相連，反相端與其輸出端之間連接有電阻R22,電阻R19、R20的連接節點與三極體Q1的集電極相連，三極體Ql的基極經電阻R17、R18與波形信號發生器的輸出端outl相連，電阻R17、R18的連接節點經二極體D3接地。所述C-V轉換電路包括集成運放OP,集成運放OP的反相端與差分電容式傳感器的固定電極相連，反相端與其輸出端之間串聯有電容C與電阻R的並聯支路。所述電阻R為T型電阻網絡。C-V轉換電路中採用噪聲電壓較低的T型電阻網絡，保證了一定的轉換精度和較大的適應範圍，滿足了C-V轉換電路對低輸入阻抗及輸出阻抗的要求。波形信號發生器產生的波形信號加於差分電容式傳感器的活動極板上，當差分電容式傳感器受到加速度作用時，加速度計差分電容的電容值產生變化，經由差分電容式傳感器的固定極板輸出的兩路波形信號的波峰峰值也產生相應的變化；其中的一路波形信號經反相器反相後，與另一路波形信號通過加法器相加並放大，經加法器差分放大後得到的檢測信號，經全波整流電路轉化為單向脈動電壓，再通過低通濾波電路濾除脈動電壓中的高頻成分，保留低頻電流，最後經跟隨輸出電路輸出，得到與差分電容變化成線性的直流電壓輸出。本發明在所述波形信號發生器、c-v轉換電路、反相器、加法器、低通濾波電路、跟隨輸出電路是現有公知電路。其中，所述全波整流電路的工作過程如下OUt2是前級差分放大的輸出信號，outl是由波形信號發生器產生的波形信號，幅值為(-U，+U)，outl在二極體D3單向導通的作用下加到後面三極體Q1基極上的電壓為(-U，0.7)，當電壓-U作用在三極體Ql的基極上時，該三極體Ql處於截止狀態，當0.7V的電壓作用在三極體Ql的基極上時，該三極體Ql處於導通狀態。取R21-R22，則^3=<[^2°，0對採用如上全波整流電路的本發明所述檢測電路進行性能測試由於差分電容式傳感器表頭檢測電容的總電容很小，約為lpF左右，因此，選用現有市場上PF量級的小電容，用兩個PF量級電容組成差分電容，作為與差分電容式傳感器表頭檢測電容相當的等效電路，並以4284A高精度LRC表進行差分電容的標定，經測試得測試數據如下表1tableseeoriginaldocumentpage5(V)從測試數據的可以看出，本發明所述檢測電路能測出的最小差分量級為10.16F，測量精度高，逐漸增大其差分值，最大為1PF。根據表1得到的線性擬合直線如圖3所示，其線性度為1.1325，非線性度小於0.5%。本發明結構合理，對差分電容式傳感器產生的微弱信號的檢測精度高，可靠性高。圖l為本發明的原理方框圖；圖2為本發明的具體電路原理圖；(圖中同標號相連)圖3為本發明經測試得到的線性擬合直線；圖4為本發明採用厚膜混合集成技術集成後性能測試得到的線性擬合直線；圖中l-波形信號發生器；2、3-C-V轉換電路；4-反相器；5-加法器；6-全波整流電路；7-低通濾波電路；8-跟隨輸出電路。具體實施方式差分電容式傳感器檢測電路，包括波形信號發生器1、C-V轉換電路2、3、反相器4、加法器5、全波整流電路6、低通濾波電路7、跟隨輸出電路8，所述全波整流電路包括集成運放U1B和三極體Ql，集成運放U1B的反相端經電阻R21與加法器的輸出端out2相連，同相端經電阻R19、R20與加法器的輸出端out2相連，反相端與其輸出端之間連接有電阻R22，電阻R19、R20的連接節點與三極體Ql的集電極相連，三極體Ql的基極經電阻R17、R18與波形信號發生器的輸出端outl相連，電阻R17、R18的連接節點經二極體D3接地。所述C-V轉換電路2、3包括集成運放OP，集成運放OP的反相端與差分電容式傳感器的固定電極相連，反相端與其輸出端之間串聯有電容C與電阻R的並聯支路。所述電阻R為T型電阻網絡。具體實施時，波形信號發生器採用方波信號發生器；兩路C-V轉換電路使用同一晶片的不同運算放大器來實現，保證了測試的準確性，內部參數一致性，且選用一致的電阻和電容，實現兩差分電容的對稱電壓輸出，測量原理是利用典型的微分電路，利用流過電容的電流與電容兩端電壓之間的微分關係來組成微分電路，使輸出電壓與輸入電壓的微分、與電容值和電壓值成正比。兩路C-V轉換電路、反相器、加法器採用OPA627型運算放大器；方波信號發生器、全波整流電路、低通濾波電路、跟隨輸出電路採用MC33184型運算放大器。另外，針對以PCB板製作工藝加工的檢測電路存在精度低、體積大、可靠性低等問題，本發明所述檢測電路可以採用現有公知的厚膜混合集成技術來實現，進而提高檢測電路的檢測精度，減小體積，降低成本。採用厚膜混合集成技術集成的本發明所述的檢測電路的性能測試在完成檢測電路的基本參數測試，確定檢測電路及差分電容式傳感器表頭正常工作後，主要進行差分電容式傳感器的功能測試，即將厚膜混合集成的電容式傳感器固定在振動臺上，進行其動態測試，其測試數據如下表2tableseeoriginaldocumentpage7從測試數據可以看出，採用厚膜混合集成技術集成的檢測電路的測試精度高、穩定度高，能充分滿足對差分電容式傳感器微弱信號進行檢測的要求。權利要求1、一種差分電容式傳感器檢測電路，包括波形信號發生器(1)、C-V轉換電路(2、3)、反相器(4)、加法器(5)、全波整流電路(6)、低通濾波電路(7)、跟隨輸出電路(8)，其特徵在於所述全波整流電路包括集成運放U1B和三極體Q1，集成運放U1B的反相端經電阻R21與加法器的輸出端out2相連，同相端經電阻R19、R20與加法器的輸出端out2相連，反相端與其輸出端之間連接有電阻R22，電阻R19、R20的連接節點與三極體Q1的集電極相連，三極體Q1的基極經電阻R17、R18與波形信號發生器的輸出端out1相連，電阻R17、R18的連接節點經二極體D3接地。2、根據權利要求1所述的差分電容式傳感器檢測電路，其特徵在於所述C-V轉換電路(2、3)包括集成運放OP，集成運放OP的反相端與差分電容式傳感器的固定電極相連，反相端與其輸出端之間串聯有電容C與電阻R的並聯支路。3、根據權利要求2所述的差分電容式傳感器檢測電路，其特徵在於所述電阻R為T型電阻網絡。全文摘要本發明涉及微弱信號檢測技術，具體是一種差分電容式傳感器檢測電路。解決了現有差分電容式傳感器的檢測電路檢測精度不高的問題，包括全波整流電路，所述全波整流電路包括集成運放U1B和三極體Q1，集成運放U1B的反相端經電阻R21與加法器的輸出端out2相連，同相端經電阻R19、R20與加法器的輸出端out2相連，反相端與其輸出端之間連接有電阻R22，電阻R19、R20的連接節點與三極體Q1的集電極相連，三極體Q1的基極經電阻R17、R18與波形信號發生器的輸出端out1相連，電阻R17、R18的連接節點經二極體D3接地。本發明結構合理，對差分電容式傳感器產生的微弱信號的檢測精度高，可靠性高。文檔編號G01P15/125GK101149391SQ20071013966公開日2008年3月26日申請日期2007年10月27日優先權日2007年10月27日發明者俊劉,崔永俊,楊玉華,玲王,石雲波,馬宗敏申請人:中北大學