MEMS微电容传感器检测电路的研制

论文摘要

微电容式传感器技术作为微机电系统研究和制造领域一个重要的分支,近年来在微型化、多功能化、智能化得到迅猛发展。微电容式传感器中以微机械压力、加速度计最具代表性,它具有体积小、重量轻、功耗小、易集成等优点。目前该领域的研究虽然有了较大发展,但距实际应用仍存在有待进一步研究和解决的问题。微电容式传感器在微机电系统中担负信号检测与转换任务,其工作性能、稳定性、可靠性决定了整个微机电系统性能,而微电容传感检测电路又是微电容传感器中的重点环节,因而针对微电容检测转换电路的研究和设计具有十分重要的理论意义和应用价值。本文在对目前较为常用的几种测量电路结构进行分析的基础上,选取交流激励电容-电压转换电路作为微电容检测方式。对测量电路原理、抗扰性、误差进行理论分析。针对微电容检测转换电路拓扑结构、性能指标、抗扰性等方面进行研究。硬件系统设计包括正弦激励信号、交流放大电路、电容-电压转换电路、全波整流电路、低通滤波电路等。鉴于微电容式传感器系统中电容的变化范围为皮法至飞法数量级,测量电路信噪比要求非常高,因而,通过仿真调试和实验,对交流激励电容测量电路的关键元件参数进行了优化。最后对所有的电路环节进行了仿真、调试与实验,结论表明满足设计要求。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外同类课题研究现状
• 1.3 MEMS 技术传感器发展趋势
• 1.4 课题面临的主要问题和工作目标
• 1.5 本章小结
• 第2章 微电容检测的基本理论
• 2.1 微电容传感器工作原理
• 2.2 微电容传感器的特点
• 2.3 微电容传感器应用的关键和难点
• 2.4 微电容测量方法
• 2.4.1 电桥法
• 2.4.2 调频法
• 2.4.3 运算放大器法
• 2.4.4 电荷转移法
• 2.4.5 交流法
• 2.5 微电容传感器测量电路组成
• 2.6 本章小结
• 第3章 MEMS 微电容传感器测量原理及其电路分析
• 3.1 微弱信号检测技术概述
• 3.2 微传感器减小系统噪声的措施
• 3.3 测量电路所面临的问题
• 3.4 微电容传感器电容测量电路
• 3.4.1 直流充放电电容测量电路
• 3.4.2 交流电桥电容测量电路
• 3.4.3 交流运放电容测量电路
• 3.4.4 基于V/T 变换电容测量电路
• 3.4.5 基于电荷放大原理的电容测量电路
• 3.4.6 交流激励测量电路
• 3.4.6.1 测量电路原理
• 3.4.6.2 电路抗杂散性分析
• 3.4.6.3 电路原理误差分析
• 3.4.6.4 测量电路设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 微电容传感器检测电路硬件系统设计
• 4.1 硬件系统组成
• 4.2 硬件系统仿真
• 4.2.1 正弦激励信号发生电路
• 4.2.2 交流信号放大电路
• 4.2.3 全波整流电路
• 4.2.4 低通滤波电路
• 4.3 本章小结
• 第5章 微电容传感器检测电路仿真调试与实验
• 5.1 引言
• 5.2 Multisim 仿真软件应用介绍
• 5.3 硬件电路仿真调试
• 5.3.1 正弦激励信号发生电路仿真实验
• 5.3.2 电容电压转换电路仿真实验
• 5.3.3 标定曲线
• 5.3.4 拟合直线与误差分析
• 5.3.5 全波整流电路仿真
• 5.3.6 低通滤波电路仿真
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢