电容式加速度计结构与检测电路的研究

　　0 引言

　　本文介绍的微小电容式加速度计由水银和密封壳体上下两极板组成。水银所承受的加速度使其内部产生不同的张力 , 形成不同的曲表面，从而导致电容的变化 , 电容的变化反映了加速度的变化。然后采用后续测量电路将电容变化转换成电压变化 , 从而将被测非电量信号转换成电量信号。由于水银电容加速度计体积很小 , 其电容量一般只有几个到十几个 pF, 因此要求检测电路能够检测微小信号[3]。设计的水银电容式加速度计结构如图 1 所示。后续电路采用 Microsensors 公司的电容检测芯片 MS3110 作为测量电路 , 并使用单片机实现对该芯片的内部参数的调节 , 使其能够正常工作。

　　1 水银微小电容检测原理

　　如图 1 所示水银电容，水银为敏感质量块，与上下固定电极构成差分电容。假定水银体积不变，当外部加速度 a =0时，水银位于中间位置，水银与上下端面电极接触部分构成的平行极板电容面积相等，即1 2C =C, 当外部有加速度时(a ≠0时)，水银由于内部压力的作用，使得水银与端面电极接触部分构成的平行极板电容面积发生变化，设1r2r分别表示水银与下端面和上端面接触部分的半径。如图 2 所示，则可得电容表达式近似为 ：

　　式中 ： 为电容电介质材料的介电常数 ;d 为绝缘层的厚度。r1不等于r2，则C1不等于C2，因此原理上 , 利用C1和C2的变化就能够测得加速度的大小。通过合适的设计可以得到满意的线性度 ,水银的高弹性和大密度使该加速度计具有高灵敏度 ;水银代替传统的固体弹性元件使该传感器不易损坏且可恢复[4]

　　2　检测电路系统设计

　　2.1 MS3110 芯片及基本电路

　　MS3110 具有极低噪声的通用电容读出接口芯片(UniversalCapacitiveReadout,UCR), 适用于一般性能要求的 MEMS 电容式加速计。它即可测量单电容变化，也可以测量差动电容的变化。MS3110 芯片的模拟电压输出范围为 0.5~4V，其检测范围为0.25 ～ 10pF, 理论精度达到 4aFMS3110 基本电路主要由电容补偿电路、电荷积分电路、采样保持器、低通滤波以及放大器组成[6]。如图 3 所示，CS1IN、CS2IN 为被检测电容，CS1、CS2 为 MS3110 芯片内部的可调补偿电容，用于调节由于输入电容的不对称而引起的偏置。即当 CS1IN、CS2IN 变化时 , 输出电压会产生漂移,为抑制漂移 , 提高测量精度 , 必须对 MS3110 的内部参数 CS1、CS2 进行调节[7]。LPF 为低通滤波器，Gain 为可调增益环节。

　2.2 单片机、A/D 电路及通信接口设计

　　MS3110 采用调制解调的电容检测方法，与其配套使用的是 MS3110BDPC 测试板。这里使用MSP430F169，通过 MSP430 写入不同的控制字来对 MS3110 芯片的内部参数进行设置 , 平衡外部容差 , 减小输出电压偏置 , 使其工作在较好的线性范围内。同时采用 MSP430 集成的 12 位 A/D 转换器进行模数转换。其集成的 12 位 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达 200kbps，能够满足大多数动态数据采集应用，为系统的单片解决方案提供了极大的方便[8]。该单片机集成的 A/D 转换器可采用内部 2.5V 参考电压或外部参考电压，但其内部参考电压准确性较差，在本系统中将 MS3110 的 2.25V参考电压输出做为 A/D 的参考电压。低功耗单片机与集成A/D转换器的采用保证了系统拥有较低的功耗.　硬件电路如图 4 所示 , P1.1 口作为时钟与 MS3110的时钟端相连 , P1.2 口与 MS3110 的 SDATA 端相连 , 将 64bite 数据写入芯片的 shiftregister。CS1 的调节范围为 0 ～ 10 pF, CS2 的调节范围为 0.2 ～ 1.2pF. 采用的单片机集成的串行接口 P4.0 和 P4.1 口与上位机的通信接口相连，通过 MAX3232 芯片转换为三线 RS232 接口与计算机串口直接相连，最终将数据通过异步传输的方式传输到计算机上进行显示和处理。