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www.eetchina.com车 用 电 容 传 感 器 的 新 契 机美 国 模 拟 器 件 公 司过 去 , 在 汽 车 里 很 少 使 用 电 容 传 感 器 , 因 为 它 们 不 好 控 制 , 难 以 读 取 数 据 , 容 易老 化 , 并 且 依 赖 于 温 度 。 然 而 , 其 低 廉 的 生 产 成 本 、 简 单 的 外 形 适 应 性 及 低 功 耗特 性 都 是 有 利 于 其 应 用 吸 引 人 的 属 性 。 一 种 新 的 电 容 测 量 技 术 的 兴 起 , 使 得 车 用电 容 传 感 器 的 数 量 急 剧 上 升 。详 细 产 品 应 用 指 南 请 查 看 :www.analog.com/TechArticle_NewOpsforCapacitiveSensors问 题 的 提 出 :宏 观 上 说 , 电 容 传 感 器 通 常 通 过 将 电 容 转 换 成 其 它 物 理 量 , 例 如 电 压 、 时 间 或 频率 进 行 分 析 。 微 观 上 说 , 电 容 传 感 器 应 用 于 汽 车 已 经 很 长 时 间 了 ; 微 电 子 机 械(MEMS) 加 速 度 传 感 器 就 是 基 于 电 容 传 感 器 原 理 。 这 些 传 感 器 通 常 用 于 检 测 电荷 的 转 移 。 美 国 模 拟 器 件 公 司 (ADI) 现 已 开 发 出 一 种 新 的 检 测 电 容 的 方 法 , 它采 用 了 改 进 的 Σ-Δ 模 数 转 换 器 (ADC) 的 输 入 级 检 测 未 知 的 电 容 并 将 其 转 换 成数 字 量 。ADI 公 司 称 其 为 电 容 数 字 转 换 器 或 CDC。 本 文 首 先 解 释 一 下 CDC 转 换方 法 。 接 着 介 绍 几 种 可 在 汽 车 中 使 用 的 电 容 传 感 器 的 工 作 原 理 。 最 后 , 简 要 介 绍一 下 交 替 转 换 方 法 。电 容 数 字 转 换 器 (CDC):为 了 直 观 描 述 CDC 转 换 方 法 , 我 们 必 须 先 着 重 介 绍 一 下 Σ-Δ ADC 的 工 作 原 理 。图 1 示 出 了 一 个 简 化 原 理 图 。Vref+/-CrefCinCintVin+Vin-积 分 器比 较 器图 1:Σ-ΔADC 原 理 图

www.eetchina.com为 了 清 楚 地 了 解 Σ-ΔADC 的 工 作 原 理 , 我 们 首 先 考 察 积 分 器 的 输 入 端 , 它 必 须对 长 时 间 积 分 保 持 为 零 。 它 对 短 时 间 的 跳 变 应 将 其 转 化 成 斜 坡 。 当 参 考 支 路 的 输出 幅 度 变 化 到 与 输 入 支 路 的 幅 度 相 同 时 其 积 分 平 均 值 为 零 , 接 着 用 比 较 器 的 输 出对 它 起 作 用 。 当 将 参 考 支 路 切 换 到 后 续 电 容 时 , 比 较 器 输 出 为 逻 辑 “1”。 电 容充 电 后 对 积 分 器 反 相 积 分 , 以 便 对 积 分 器 施 加 负 参 考 电 压 。 因 此 当 输 入 端 施 加 高电 压 时 会 产 生 大 量 的 逻 辑 “1”, 同 样 频 繁 地 施 加 正 ( 负 ) 参 考 电 压 。 由 后 面 的数 字 滤 波 器 转 换 的 由 “1” 组 成 的 数 据 流 生 成 数 字 量 。 标 准 的 Σ-ΔADC 将 未 知电 压 与 已 知 电 压 进 行 比 较 , 通 常 与 两 个 已 知 的 ( 通 常 是 相 等 的 ) 电 容 器 进 行 比 较 。因 此 实 际 上 比 较 的 是 电 荷 。 如 果 两 个 电 压 都 已 知 ( 在 本 例 中 使 用 的 是 相 等 的 电压 ), 那 么 可 以 用 公 式 Q=C×U 比 较 电 容 。 另 外 , 还 必 须 对 输 入 支 路 施 加 一 个同 步 的 电 压 信 号 , 如 图 2 所 示 的 原 理 图 。Vref+/-CrefB电 容 传 感 器ACint片 外激 励 电 压积 分 器比 较 器图 2: 电 容 数 字 转 换 器电 容 数 字 转 换 器 有 许 多 优 点 。 由 于 它 与 Σ-ΔADC 有 密 切 的 联 系 , 所 以 可 以 采 用和 修 改 Σ-ΔADC 具 有 的 一 些 众 所 周 知 的 特 性 。 这 些 特 性 包 括 很 高 的 噪 声 抑 制 能力 、 在 极 低 频 率 下 具 有 高 分 辨 率 、 高 精 度 低 成 本 以 及 抗 电 磁 干 扰 等 外 部 影 响 的 鲁棒 性 。Σ-ΔADC 几 乎 毫 无 例 外 地 具 有 类 似 的 输 入 结 构 , 以 便 对 具 体 的 测 量 任 务采 用 各 种 不 同 的 结 构 , 例 如 特 别 低 的 电 流 输 入 、 最 大 精 度 或 较 高 的 截 止 频 率 。 进一 步 考 察 图 2 我 们 会 发 现 更 多 的 优 点 。 在 初 始 的 测 量 值 中 寄 生 电 容 不 起 作 用 。 寄生 电 容 在 节 点 A 处 趋 近 于 0, 具 有 零 电 位 。 在 节 点 B 处 不 为 0, 但 是 向 它 提 供 一个 确 定 的 低 阻 电 位 , 因 此 该 节 点 的 寄 生 电 容 会 充 电 到 平 均 值 而 不 会 影 响 测 量 结果 。 从 节 点 A 到 节 点 B 之 间 的 寄 生 电 容 总 是 与 测 量 元 件 并 联 , 并 且 总 是 作 为 失调 电 压 出 现 。AD7745 是 首 款 CDC, 它 提 供 24 bit 分 辨 率 和 16 bit 精 度 。 它 具 有 大 约 50 aF分 辨 率 和 2 fF ( 经 过 校 准 的 ) 精 度 。 参 考 电 容 具 有 严 格 规 定 的 温 度 系 数 , 因 此可 将 其 用 作 内 置 温 度 传 感 器 既 可 用 于 提 高 测 量 精 度 , 也 可 用 作 参 考 电 容 。

www.eetchina.com电 容 传 感 器 :以 前 的 电 容 分 析 系 统 要 求 很 高 的 测 量 电 容 , 并 且 当 触 摸 时 具 有 大 的 电 容 量 变 化 。这 种 对 于 具 有 足 够 大 变 化 的 要 求 对 应 传 感 器 制 造 商 常 常 产 生 问 题 , 而 对 应 小 的 电容 传 感 器 则 不 应 存 在 问 题 。 例 如 , 典 型 的 150 pF 湿 度 传 感 器 不 仅 昂 贵 许 多 ( 因为 它 们 尺 寸 变 大 ), 而 且 更 容 易 产 生 错 误 , 而 且 长 期 稳 定 性 也 降 低 了 。电 容 器 的 容 量 根 据 其 结 构 按 照 公 式 C = εoεrA/d 计 算 , 其 中 εo 是 真 空 中 的 介 电 常数 ,εr 是 介 质 中 的 介 电 常 数 ,A 是 极 板 的 有 效 面 积 ,d 是 两 个 电 极 之 间 的 距 离 。除 了 几 个 例 外 如 压 力 传 感 器 等 , 所 有 的 电 容 传 感 器 都 使 用 平 板 表 面 或 电 介 质 的 变化 测 量 电 容 器 的 变 化 。 大 多 数 传 感 器 可 被 归 为 两 类 : 根 据 极 板 面 积 ( 几 何 尺 寸 )的 变 化 ( 例 如 液 位 传 感 器 或 位 移 传 感 器 ) 和 根 据 εr 的 变 化 ( 例 如 接 近 传 感 器 或湿 度 传 感 器 )。电 介 质 传 感 器 :传 统 的 电 介 质 传 感 器 的 实 例 是 采 用 对 湿 度 敏 感 的 聚 合 层 作 为 介 质 的 湿 度 传 感 器 。随 着 湿 度 的 增 加 , 水 分 子 堆 积 得 越 来 越 多 , 因 此 εr 增 大 。 测 定 液 体 ( 例 如 油 或燃 料 ) 纯 度 的 传 感 器 实 质 上 是 由 两 个 固 定 的 平 板 构 成 的 , 液 体 本 身 构 成 电 介 质 。所 需 液 体 的 性 质 主 要 由 经 验 决 定 ( 例 如 油 或 燃 料 中 增 加 的 水 份 含 量 )。 温 度 在 其中 起 着 决 定 性 作 用 , 所 以 决 定 必 须 可 靠 。 简 单 的 接 近 传 感 器 , 它 决 定 着 介 质 的 变换 , 通 常 要 求 最 复 杂 的 测 量 电 子 电 路 。

www.eetchina.comCDC触 发 器电 容 传 感 器THRESHOLD 阈 值阈 值 算 法图 3: 接 近 传 感 器在 大 多 数 情 况 下 , 接 近 传 感 器 由 印 刷 电 路 板 上 两 个 导 体 组 成 , 两 导 体 之 间 的 电 介质 值 具 有 很 低 的 介 电 常 数 ( 接 近 1)。 如 果 有 一 个 物 体 , 例 如 人 手 , 接 近 电 容 器的 电 场 移 动 , 电 容 就 会 改 变 。 人 体 的 水 分 含 量 超 过 90%, 因 此 介 电 常 数 很 高 ( 约为 50)。 无 触 点 开 关 的 制 造 十 分 简 单 , 因 此 用 于 电 子 窗 口 的 无 钥 匙 进 入 和 箝 位保 护 等 应 用 。 无 钥 匙 汽 车 的 核 心 要 求 是 电 流 输 入 尽 可 能 最 低 —— 标 准 值 低 于 100µA。Σ-ΔADC 在 业 界 已 经 优 化 很 多 年 了 , 因 此 可 提 供 合 理 的 体 系 结 构 。 用 同 样的 方 法 可 实 现 雨 量 传 感 器 。 这 些 传 感 器 容 易 生 产 , 成 本 很 低 而 且 具 有 尺 寸 小 的 缺点 。 传 统 的 基 于 基 于 水 滴 的 光 折 射 的 雨 量 传 感 器 必 须 非 常 小 , 从 而 减 小 了 占 用 挡风 玻 璃 上 的 面 积 , 同 时 导 致 了 雨 量 小 时 可 重 复 的 问 题 。几 何 尺 寸 传 感 器 :根 据 几 何 尺 寸 变 化 的 传 感 器 实 例 是 压 力 传 感 器 、 液 位 传 感 器 和 位 移 传 感 器 —— 只是 简 单 地 在 两 块 固 定 的 极 板 之 间 改 变 电 介 质 。 压 力 传 感 器 使 用 两 块 固 定 大 小 的 板作 为 膜 片 ; 由 于 膜 片 有 弹 性 , 压 力 作 用 在 传 感 器 上 时 两 板 之 间 的 距 离 会 改 变 。

www.eetchina.com压 力+CDC-处 理DATA温 度 传 感 器ADC温 度 补 偿-图 4: 压 力 传 感 器需 要 一 个 温 度 传 感 器 是 由 于 热 膨 胀 引 起 的 几 何 尺 寸 改 变 。 设 想 两 个 电 电 极 中 的 一个 电 极 连 接 到 芯 片 上 , 另 一 个 连 在 金 属 或 陶 瓷 结 构 的 外 壳 上 。 因 此 外 壳 自 身 起到 传 感 器 的 作 用 。 例 如 , 陶 瓷 外 壳 , 陶 瓷 能 承 受 很 大 的 压 力 和 侵 蚀 性 媒 体 。 与 传统 的 惠 斯 通 电 桥 相 比 , 电 容 压 力 传 感 器 的 主 要 优 势 在 于 其 低 输 入 电 流 , 从 而 使 其特 别 适 合 于 轮 胎 气 压 控 制 等 应 用 。在 液 位 传 感 器 中 , 测 量 浸 入 在 液 体 中 一 对 固 定 的 平 板 。 制 造 商 可 以 用 极 低 价 格 的印 刷 导 线 实 现 。 另 一 对 平 板 放 置 在 底 部 , 从 而 允 许 检 测 介 质 因 温 度 或 其 它 因 素 产生 的 改 变 , 如 图 5 所 示 。

www.eetchina.com注 :OSCILLATOR= 振 荡 器DDS CORE= DDS 内 核PC INTERFACE= PC 接 口REAL REGISTER= 实 数 寄 存 器IMAGINARY REGISTER= 虚 数 寄 存 器TEMPERATURE SENSOR= 温 度 传 感 器1024-POINT DFT=1024 点 离 散 傅 立 叶 变 换GAIN= 增 益图 6:AD5933 工 作 框 图ADI 公 司 将 这 种 电 路 称 为 网 络 分 析 器 。 除 了 电 容 传 感 器 和 电 感 传 感 器 , 适 当 的 传感 器 还 能 记 录 待 测 液 体 中 粘 度 的 变 化 ( 例 如 机 油 或 润 滑 油 )。总 结 :电 容 传 感 器 正 在 汽 车 行 业 中 复 苏 。 一 种 新 的 方 法 已 展 示 了 湿 度 传 感 器 、 雨 量 传 感器 和 接 近 传 感 器 的 初 步 成 功 。 采 用 的 Σ-ΔADC 技 术 能 够 提 供 灵 活 的 解 决 方 案 以满 足 不 同 的 动 态 和 精 度 的 要 求 , 并 且 能 够 使 传 感 器 系 统 满 足 极 低 的 功 耗 需 求 。 电容 传 感 器 已 经 用 于 多 种 应 用 , 并 且 ADI 公 司 正 在 开 发 适 应 轮 胎 压 力 传 感 器 和 无 钥匙 汽 车 解 决 方 案 。 随 后 我 们 将 开 发 交 替 解 决 方 案 。详 细 产 品 应 用 指 南 请 查 看 :www.analog.com/TechArticle_NewOpsforCapacitiveSensors