电容式加速度计结构与检测电路的研究

2010-09-12赵军荣戴丽霞刘双峰

电子测试 2010年10期

赵军荣，戴丽霞，刘双峰

（中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室山西太原 030051）

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。

图1 水银电容加速度计原理示意图

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 C1=C2,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 r1,r2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]。

图2 圆柱腔中的水银形状剖面图

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（Universal Capacitive Readout ,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4aF[5]。

MS3110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。

图3 MS3110基本电路

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0.2～1.2 pF.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。