[发明专利]一种变面积式位移电容的检测装置

说明书

本发明提供了一种变面积式位移电容检测装置，包括：变面积式位移电容检测结构、驱动电压模块和电荷放大器；变面积式位移电容检测结构包括：检测电容和移动块；驱动电压模块产生用于位移电容检测的正负驱动载波且分别加载在所述检测电容上；电荷放大器包括：反馈电容、反馈电阻和运算放大器，电荷放大器用于将微小位移引起的差分电容变化与反馈电容作比并转化为电压信号；当对外界位移进行检测时，检测方向上的位移使检测电容的正对面积发生改变，从而使检测电容的大小发生变化，通过对由于面积变化产生的电容变化进行检测，实现位移检测的目的；消除了动定极板间距变化对差分电容的影响，提高了位移电容检测精度。

技术领域

本发明属于位移测量领域，更具体地，涉及一种变面积式位移电容的检测装置。

背景技术

变面积式位移电容检测是位移检测的一种方式，在惯性传感、位移测量领域具有重要意义。电容式位移检测是利用检测平行极板电容的大小来对位移的变化进行检测的一种方式，按照平行极板电容的定义ε为极板间介质的介电常数，A为极板的正对面积，d为极板间间距。一般而言，电容极板间介质介电常数是不变的，因此电容检测方式可以分为两类：一类是变面积式位移电容检测，一类是变间距式位移电容检测。这两种检测方式依据自身特点在应用领域也各有侧重，对于变面积式位移电容检测，主要检测由于两电容极板正对面积的变化带来的差分电容的大小来对位移进行检测，排布的电容极板越多灵敏度就越高，而MEMS工艺可以在很小的尺度范围内在硅片上进行加工，可以对电容极板进行小型化、高密度式制作，因此变面积式位移电容检测主要用于MEMS领域；对于变间距式位移电容检测，主要检测由于电容极板间距变化造成的电容变化，不需要利用微机械技术在微尺度上进行加工，但需要高精度的装配，因此主要应用于传统机械加工领域。

基于变面积式位移电容检测装置的应用典型有英国帝国理工大学Pike等人研发的MEMS火星微震仪，其基本原理就是变面积式位移电容检测，所采用的方式是利用MEMS工艺在硅片上进行复杂加工而成，它体积小，灵敏度高，噪声分辨率达到

基于变间距式位移电容检测方式的应用代表有Guralp公司的CMG-5U等系列加速度计，通过高精度机械加工，设计装配而成，具有量程大、噪声水平低等特点，据其官方资料量程可达±2g，噪声为

当对外界进行位移或加速度检测时，检测方向上的位移或加速度使移动块与外框架(固定)发生相对位移x，相应的固定在移动块上的动极板与固定在外框上的电容定极板也产生相对位移x，从而产生电容极板正对面积的变化。在此过程中由面积变化产生的两电容的表达式可以表示为：

与

此时差分电容的大小可以表示为：其中ε为极板间介质的介电常数，C₀为平衡状态下电容极板正对时的电容值，a为电容极板的宽度，b为两定极板之间的间距，l为电容极板的长度。由公式可以看出差分电容会随着动定极板正对面积及两极板的间距变化而变化。为了保证位移测量的准确性需要将其中关于间距的影响消去或者最小化。差分电容信号经过电荷放大器进行转换过程中，由于在带宽范围内反馈电阻的阻抗R_f远大于反馈电容的阻抗所以经过电荷放大器后的电压输出可以表示为：

由公式可以看出若间距d发生变化，则会对电压输出有直接影响。当d不变时，若V_p，l，C_f的值固定，电荷放大器输出V₀与位移x成正比，通过对V₀的测量可以推得位移x的大小，达到位移检测的目的。然而在实际过程中，间距d会因机械结构的不稳定及交叉抑制比太低而发生变化，最终影响位移检测的精度，因此需要将其中关于间距的因素消去来提高位移检测的精度。

发明内容

针对现有位移电容检测的不足，本发明提供了一种变面积式位移电容检测装置，旨在解决现有技术中电容极板间距变化对电容检测带来了影响导致位移的检测精度不高的问题。