微弱电容信号的离散频率测试方法及其硬件电路的实现

　　0　引言

　　微惯性器件按照工作方式可以分为多种,其中电容式的器件由于具有在相同的条件下,信号变化量更大,且敏感芯片温度效应小、可靠性及稳定性好等众多优点,因而在硅微惯性器件中,常采用电容传感器作为信号器件。通常情况下,在硅微惯性器件中,检测电容通常在10-12F级,甚至更小,而电容的变化量ΔC则在10-15~10-18F量级,可见其有用的输出信号非常微弱。而电容式传感器,总是存在着各种寄生效应,寄生电容的大小往往可与传感器单元变化相比拟,甚至更大;此外,不论采用何种微电路测量方法,线路噪声的影响也很严重。因此,检测此电容信号并将其转换成电压信号输出的测试电路的实现难度非常大,如何提高测量灵敏度和信噪比是当前微电容测量中两个最突出的问题。微弱电容信号检测方法有很多种,比如开关电容检测法[1-2],充放电流法[2],电容频率转换法[3-4],电路相位检测方法[5],Δ-Σ法[6],A-D转换法[7],PWM法[8]等。对于电容频率转换法,可以将被测电容信号直接转换为振荡频率信号输出,输出信号的频率变化与电容的变化量有关。由于频率信号具有很高的抗干扰能力和稳定性,且在传输过程中不容易产生失真误差,信号处理时也不需要经过A/D转换,从而可使处理电路大大简化并降低了检测难度。

　　1　微弱信号检测理论基础

　　目前所用的硅微机械电容式加速度传感器由于受加工工艺复杂程度和成本的限制,绝大部分为变间距式的。图1为差动电容式传感器可动质量块与极板间关系的基本原理图,传感器壳体上加工2个电容极板,中间可动质量块为电容另一极板。上下2个极板与中间质量块形成差动式电容。

　　设极板面积为A,初始距离为d0,介质常数ε,则电容计算表达式为

　　加速度传感器在加速度a的作用下,敏感质量块电容极板相对于壳体位移发生改变Δd,则有表达式

　　其中K为支撑质量块悬臂梁的弹性系数。当其中电容器C1的电容随位移Δd的减小而增大时,另一个电容器C2的电容则随着Δd的增大而减小。

　　而对于硅微电容式传感器,由于其具有量程低、精度高的特点,电容的变化量相对于检测电容约在10-3~10-6F的量级,即可以满足Δd/d 1的要求,电容的相对变化量可按幂级数展开,得

　　传感器的灵敏度系数S可以表示为单位加速度所引起的电容量的相对变化量的大小。即加速度传感器所感知的最小分辨率加速度时电容值的变化量,可以通过设计合适的电路将加速度传感器的电容信号线性地转换成频率信号,信号的频率变化与传感器电容变化量成正比。

　　对于电容—频率转换电路,必须能够满足将加速度传感器的电容信号线性地转换成频率信号的功能。在该条件下,电路输出信号的频率与电容间的关系可用下面线性表达式表示为