第三章电容式传感器应用

硅电容式集成传感器结构
第三章
电容式传感器
非电量电测技术
3-4 电容式传感器的应用举例 6.智能型电容传感器 6.智能型电容传感器 • 从原理上讲硅电容器与传统的结构型压敏传感器没有区别，只是 从原理上讲硅电容器与传统的结构型压敏传感器没有区别，
采用集成工艺制作，电容尺寸很小， 采用集成工艺制作，电容尺寸很小，可与信号处理电路集成在一 起。压力敏感的电容器所传感的电容量信号经转换电路转换成电压 信号，再由调理电路处理后输出。 信号，再由调理电路处理后输出。 • 实际硅压力敏感电容传感器的工作原理是在一 个硅膜上制作两个圆形电容器，电容尺寸相同， 个硅膜上制作两个圆形电容器，电容尺寸相同， 分别为受力电容 参考电容， 受力电容、 分别为受力电容、参考电容，参考电容不受外力 作用，补偿温度影响。 作用，补偿温度影响。当硅膜片两侧有压差存在 受力变形时， 受力变形时，电容两极间距的变化引起电容量变 化。 • 压差与变形量呈线性关系。扩散硅电容器的灵 压差与变形量呈线性关系。 敏度是结构型电容传感器灵敏度的10 10倍 敏度是结构型电容传感器灵敏度的10倍。
∆P = P − P H L
电容传感器 盒膜片结构
• 前极电路将这种电容变化通过电路转换， 前极电路将这种电容变化通过电路转换， 变为电压或电流的变化
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3-4 电容式传感器的应用举例 1.电容式压力传感器 1.电容式压力传感器
工业生产流程自动控制中膜片式压力计是 常用的一种，电容膜片压力传感器分两种： 常用的一种，电容膜片压力传感器分两种： • 计示压力计 （ 表压 ） ， 以 大气 为基准 ， 测 计示压力计（表压） 大气为基准 为基准， 管道、箱内、罐中压力； 管道、箱内、罐中压力； • 绝对压力计 ， 以绝对 真空 为基准测量蒸发 绝对压力计，以绝对真空 真空为基准测量蒸发 反应罐中的压力； 罐、反应罐中的压力； • 压差计，测两个压力的差值。 压差计，测两个压力的差值。
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3-4 电容式传感器的应用举例 6.智能型电容传感器 6.智能型电容传感器 硅微型电容传感器结构
• 硅压力电容传感器的敏感元件是 电容压敏元件， 电容压敏元件，核心部分是敏感电 容器。 容器。 • 其结构是在玻璃基底上镀一层金 属铝（AL）膜做电容器的一个极板， 属铝（AL）膜做电容器的一个极板， 在硅（Si） 在硅（Si）片上是电容器的另一个 极板，硅膜厚几十微米 厚几十微米。 极板，硅膜厚几十微米。 • 电容器电容量由两个电容极板面 积和间距决定，极板间介质为空气， 积和间距决定，极板间介质为空气， 当硅膜片受力变形时电容的变化量 与压力差△ 大小有关。 △C与压力差△P大小有关。
U0 = − S U
ε0s
h
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3-4 电容式传感器的应用举例 3.电容传感器测位移 3.电容传感器测位移
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3-4 电容式传感器的应用举例 4.电容传声器原理 4.电容传声器原理 • PC机上的麦克风是一个电容传声器、主要由振动膜片、刚 PC机上的麦克风是一个电容传声器 主要由振动膜片、 机上的麦克风是一个电容传声器、 性极板、电源和负载电阻等组成。当膜片受到声波的压力， 性极板、电源和负载电阻等组成。当膜片受到声波的压力， 并随着压力的大小和频率的不同而振动时， 并随着压力的大小和频率的不同而振动时，膜片极板之间的 电容量就发生变化。与此同时，极板上的电荷随之变化， 电容量就发生变化。与此同时，极板上的电荷随之变化，从 而使电路中的电流也相应变化， 而使电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电 压输出，从而完成了声电转换。 压输出，从而完成了声电转换。
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3-4 电容式传感器的应用举例 5.力平衡式加速度传感器 5.力平衡式加速度传感器
力平衡式传感器系统是先将被测量转换成力或力矩, 力平衡式传感器系统是先将被测量转换成力或力矩,然后用反馈力与它 平衡，可测加速度、角速度、压力变量、电功率等等。 平衡，可测加速度、角速度、压力变量、电功率等等。目前主要应用于 超低频、低加速度测量，是惯性导航系统中不可缺少的关键元件。 超低频、低加速度测量，是惯性导航系统中不可缺少的关键元件。 在导弹的惯性系统平台上， 在导弹的惯性系统平台上，沿三个坐标安装三只力平衡系统式加速度 传感器，分别测出三个轴向的加速度。 传感器，分别测出三个轴向的加速度。通过积分器计算机求出三个轴向 的速度和位移，确定运动物体在空间的坐标位置， 的速度和位移，确定运动物体在空间的坐标位置，提供各种反馈控制信 号。
结构：金属弹性膜片—动片； 结构：金属弹性膜片—动片；两个玻璃球面上镀有
• 当有差压作用时，测量膜片产生形变： 当有差压作用时，测量膜片产生形变：
膜片P 向弯曲， PH > PL时，膜片PL向弯曲，C1<C2， PH < PL时，膜片PH向弯曲，C1>C2； 膜片P 向弯曲，
☻ • 当PH=PL时，膜片处于中间位置，C1=C2； 膜片处于中间位置，
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3-4 电容式传感器的应用举例 4.电容传声器原理 4.电容传声器原理 • 计算机中一般使用的是驻极体电容传声器，工作原理和 计算机中一般使用的是驻极体电容传声器， 电容传声器相同，它采用一种聚四氟乙烯材料作为振动膜 电容传声器相同，它采用一种聚四氟乙烯材料作为振动膜 这种材料经特殊电处理后表面被永久地驻有极化电荷， 片。这种材料经特殊电处理后表面被永久地驻有极化电荷， 从而取代了电容传声器的极板，故名为驻极体电容传声器。 从而取代了电容传声器的极板，故名为驻极体电容传声器。
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自动平衡电桥电路
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自动平衡电桥电路
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3-4 电容式传感器的应用举例 1.电容式压力传感器 1.电容式压力传感器
金属模片；膜片左右两侧充满硅油。 金属模片；膜片左右两侧充满硅油。 工作过程：当两室分别承受低压P 和高压P 工作过程：当两室分别承受低压PL和高压PH时，硅油 能将压差传递到测量膜片
反馈力） 惯性力） 当Fβ（反馈力）= Fx（惯性力）时 0。 位移 y = 0。 工作原理： 工作原理：壳体加速度 惯性力
ax = d2 x / dt2
U0 = IR = R F β
Fx = max
力矩器的反馈力F = βI ββ Nhomakorabea=R
F X
β
=
R
β
mx a
β-力矩器的机电偶合系数
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电容式传感器
选通 阀 接大气 基准 低压 阀
传感器
管 道 高压 阀
传感器
管道
反应罐
接真空
低压 阀
高压 阀
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电容式传感 器
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3-4 电容式传感器的应用举例 2.电容板材在线测厚仪 2.电容板材在线测厚仪 电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。 电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。 • 带材是电容的动极板，总电容 C1+C2 作为桥臂。 带材是电容的动极板， 作为桥臂。 • 带材只是上下波动时 Cx = C1+C2总的电容量不变； 总的电容量不变； 变化。 带材的厚度变化使电容 Cx 变化。 • 采用变压器式输出电桥电路。或用集成运放电路 采用变压器式输出电桥电路。 输出与带材厚度关系为： 输出与带材厚度关系为： C0
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3-4 电容式传感器的应用举例 7.新型电容式指纹传感器 7.新型电容式指纹传感器
• 由于指纹具有唯一性，使其成为个人身份识别的一种有效手段， 由于指纹具有唯一性，使其成为个人身份识别的一种有效手段， 将人的指纹采集下来输入计算机进行自动指纹识别。 将人的指纹采集下来输入计算机进行自动指纹识别。 • 指纹图象的获取有两类方法，一是使用墨水和纸的传统方法；另 指纹图象的获取有两类方法，一是使用墨水和纸的传统方法； 一种方法是利用设备取像（又分为光学设备取像 光学设备取像、 一种方法是利用设备取像（又分为光学设备取像、晶体传感器取像 超声波取像。 和超声波取像。 • 光学取像是使用CCD器件来获得指纹的图像，其优点是图像效果较好， 光学取像是使用CCD器件来获得指纹的图像 其优点是图像效果较好， CCD器件来获得指纹的图像， 器件本身耐磨损，但缺点是成本高、体积大。 器件本身耐磨损，但缺点是成本高、体积大。 • 晶体指纹传感器分为电容式和压感式，用它获取的图像质量比较好， 晶体指纹传感器分为电容式 压感式，用它获取的图像质量比较好， 电容式和 可以采用自动获取控制技术和软件调整的方法来改善图像质量。 可以采用自动获取控制技术和软件调整的方法来改善图像质量。晶体 传感器的体积和功耗都比较小，成本也比光学设备低廉。 传感器的体积和功耗都比较小，成本也比光学设备低廉。
因为加速度是物体唯一不依赖外部参照物的运动参量。 因为加速度是物体唯一不依赖外部参照物的运动参量。
Y Z X
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3-4 电容式传感器的应用举例 5.力平衡式加速度传感器 5.力平衡式加速度传感器 力平衡式加速度传感器结构 力平衡式加速度传感器结构 M惯性元件 、 C1 、C2 位移传 惯性元件、 惯性元件 感器、磁力矩器、 感器 、磁力矩器、电容动片固 定在质量块上。 定在质量块上。
FPS110 电容式指纹传感 器和采集的指纹图象
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3-4 电容式传感器的应用举例 7.新型电容式指纹传感器 7.新型电容式指纹传感器
• 电容式指纹传感器是由著名的贝尔实验室联合Intel等公司投资几十 电容式指纹传感器是由著名的贝尔实验室联合Intel 贝尔实验室联合Intel等公司投资几十 亿美金，历经数十载才开发出来的， 亿美金，历经数十载才开发出来的，目前在国际晶体指纹传感器市场上 占主要份额。 占主要份额。 • 例如FPS110 电容式指纹传感器表面集合了300×300个电容器，其外 例如FPS110 电容式指纹传感器表面集合了300×300个电容器 集合了300 个电容器， 面是绝缘表面，当手指放在上面时，由皮肤组成电容阵列的另一面， 面是绝缘表面，当手指放在上面时，由皮肤组成电容阵列的另一面，电 容器的电容值由于导体间的距离而降低，这里指的是指纹脊（ 容器的电容值由于导体间的距离而降低，这里指的是指纹脊（近）和谷 相对于另一极之间的距离。通过读取充放电之后的电容差值 充放电之后的电容差值来获 （远）相对于另一极之间的距离。通过读取充放电之后的电容差值来获 取指纹图像。 取指纹图像。 • 传感器的生产采用标准CMOS工艺，尺寸 传感器的生产采用标准CMOS工艺， CMOS工艺 大小为15 15× 分辨率为500DPI 500DPI（ 大小为15×15mm2，分辨率为500DPI（一 英寸面积上的像素多少，指扫描精度）。 英寸面积上的像素多少，指扫描精度）。 • FPS110 提供8位微处理器相连的接口， 提供8位微处理器相连的接口， 内置有8位高速A/D转换器，可直接输出8 A/D转换器 内置有8位高速A/D转换器，可直接输出8 位灰度图像。芯片功耗小于200mW 200mW， 位灰度图像。芯片功耗小于200mW，价格 600元 人民币） 在600元（人民币）下。