电容式加速度计结构与检测电路的研究

赵军荣;戴丽霞;刘双峰

【摘 要】提出一种基于水银电容式加速度传感器的接口电路.从根本上解决加速度传感器在大冲击或恶劣环境下的测量数据难采集的问题.在此接口电路中,采用MS3110芯片对设计加工的电容式加速度计进行测试,通过单片机写入程序来控制该芯片,调节内部各参数,使MS3110工作在线性度和灵敏度最佳状态.实验结果表明,此接口电路具有很高的稳定性、灵敏度和线性度.该测量电路主要包括硬件设计和软件设计.该电路能够高精度测量微小电容,有很好的应用前景. 【期刊名称】《电子测试》 【年(卷),期】2010(000)010 【总页数】5页(P88-92)

【关键词】电容加速度计;水银;单片机;MS3110 【作 者】赵军荣;戴丽霞;刘双峰

【作者单位】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;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;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 【正文语种】中 文 【中图分类】TN06 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bite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。 图4 单片机对MS3110调节的硬件电路 2.3 数据显示处理模块

采用VC++6.0软件，应用C++语言编写了系统的上位机软件，软件功能主要有：设置参数，与下位机通信，数据实时图形化显示，存储，读取等。软件界面如5图所示。

图5 用VC编辑的显示界面截图 3 实验结果及分析

在使用MS3110进行测试前,必须确保该芯片工作正常。理论上输出电压V0与待测电容的关系如下：

通过单片机程序将式中各参数设为: Gain=2 CF=9.728pF 。外部输入电容CS2 IN=1pF,CS1IN=0pF,改变CS1、CS2的差值得到相应的输出,与理论值相比较,即可判断芯片工作是否正常。所得结果如图6所示。 图6 理论曲线和实测曲线

从图6可以看出,实测曲线与理论曲线非常接近,表明该芯片工作状态良好。下面便使用此电路对水银微小电容加速度计进行测试。分别将C1、C2接入MS3110,得到的测试结果如表1所示（即差动电容C2-C1）。

表1 加速度值与电容值的比较加速度（g）第6个0g 2.986 3.018 2.993 2.998 3.006 3.002 3.00 0.41g 3.049 3.059 3.058 3.051 3.061 3.052 3.105 0.59g 3.082 3.091 3.092 3.084 3.094 3.085 3.128 0.96g 3.145 3.153 3.155 3.142 3.153 3.144 3.149 1.32g 3.188 3.198 3.195 3.191 3.196 3.185 3.193 1.74g

3.242 3.255 3.251 3.247 3.257 3.243 3.249 1.97g 3.279 3.288 3.285 3.281 3.288 3.278 3.283 2.35g 3.302 3.311 3.309 3.303 3.310 3.301 3.306 2.76g 3.431 3.437 3.435 3.432 3.436 3.429 3.314第1个 第2个电容值（pF） 平均值(pF)第3个第4个第5个

把表1中数据显示在图7中，横坐标表示加速度值，纵坐标表示电容值平均值。 图7 加速度值与电容值的比较

从图7中可以看出，水银微小电容加速度计的线性度是比较理想的。表明此电路对于测量水银电容加速度计是比较合适的。 4 结束语

本文采用电容专用测试芯片MS3110对加工出的微加速度计进行了检测,并使用单片机MSP430实现对该芯片的内部参数的调节,保证了MS3110具有良好的线性度和灵敏度。通过对水银电容式微加速度计的检测，证明了该检测系统具有较高的测试精度，适用于微小电容式传感器的检测与研发。 参考文献

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