葛維冬，許德章，何慧娟

（安徽工程大學 a.先進數(shù)控和伺服驅(qū)動技術(shù)安徽省重點實驗室；b.機器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，安徽 蕪湖 241000）

微電容陣列檢測系統(tǒng)的設(shè)計

葛維冬，許德章，何慧娟

（安徽工程大學 a.先進數(shù)控和伺服驅(qū)動技術(shù)安徽省重點實驗室；b.機器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，安徽 蕪湖 241000）

通過實驗分析了電容讀取芯片MS3110P各項性能指標，并設(shè)計了一款能自適應匹配模擬開關(guān)產(chǎn)生的電荷注入效應的P控制器；開發(fā)出一款具有單電容陣列測量模式和差分電容陣列測量模式的微電容陣列檢測電路，并探討了其寄生電容產(chǎn)生的原因。測試結(jié)果表明，該檢測電路克服了各種寄生電容對傳感器的影響，提高了測量精度，能夠應用于MEMS觸覺傳感器微電容陣列的測量。

微電容陣列；觸覺傳感器；寄生電容；MS3110P

電容式傳感器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高、工作可靠、動態(tài)響應快、可非接觸測量，并能在高溫、高輻射和強烈振動等惡劣條件下工作等優(yōu)點，已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到廣泛應用，如在觸覺傳感器系統(tǒng)中，電容傳感器被用來獲得壓力信號。

針對微電容單元的測量，國內(nèi)外研究者進行了不少探索，并提出了多種測量電容的方法［1］，包括充/放電法、AC電橋法、交流鎖相放大法、基于V / T變換的方法［2］、基于混沌理論的恒流式混沌法和基于電荷放大原理的方法［3］等；但這些方法難以測量微電容陣列，也無法對模擬開關(guān)本身的電容進行分析。

本文介紹了通用電容讀取芯片MS3110［4-5］；設(shè)計了自適應P控制器，用于匹配模擬開關(guān)產(chǎn)生的注入電荷引起的電容［6］；探討了寄生電容的由來，通過理論分析與探索實驗，開發(fā)出一款具有單電容測量模式和差分電容陣列測量模式的微電容陣列檢測電路。

1 電容檢測芯片的介紹

MS3110的原理框圖如圖1所示。MS3110主要由電容補償電路、電荷放大器、低通濾波器以及驅(qū)動放大器組成。CS1IN、CS2IN為被讀取差分電容對；CS1和CS2為MS3110芯片內(nèi)置的可調(diào)補償電容陣列，用于調(diào)節(jié)由于輸入電容不對稱引起的偏置。Cf為電荷放大器的可調(diào)積分電容，用于調(diào)節(jié)前端積分器的增益。MS3110的理論傳輸函數(shù)為V0=[V2P25×1.14×Gain×（CS2T-CS1T）]/Cf+VREF。其中：CS1T=CS1IN+CS1=Ct1+Cn1+CS1；CS2T=CS2IN+CS2=Ct2+Cn2+CS2；V0為直流輸出電壓；V2P25為其輸入?yún)⒖茧妷海ǔ＿x2.25 V。Cf可通過編程調(diào)整，實驗要求Cf≥1.5 pF；Ct1和Ct2為待測電容值；Cn1和Cn2為接插件的寄生電容；Gain取2或4，可通過編程選擇；VREF取0.5 V或2.25 V，可通過編程選擇。

圖1 MS3110P等效測量電路

2 測量電路設(shè)計與分析

2.1 測量電路基本原理

基于MS3110P的微小電容測量電路由主控芯片、模擬開關(guān)、電容檢測芯片MS3110P、虛擬儀器和上位機控制界面組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 微電容陣列檢測系統(tǒng)框圖

電路采用Freescale公司的MC9SXS128MAL為主控芯片，分別控制模擬開關(guān)、MS3110P和藍牙。檢測結(jié)果由MS3110P輸出，經(jīng)12位A/D采樣，通過P控制器反饋到主控芯片實現(xiàn)閉環(huán)控制。所有參數(shù)經(jīng)藍牙傳輸?shù)缴衔粰C，測量數(shù)據(jù)經(jīng)虛擬儀器PXI4461采集卡傳輸?shù)缴衔粰C顯示（圖3）。

圖3 測量電路板和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.2 模擬開關(guān)電路原理和特性分析

模擬開關(guān)和MS3110P的電路連接如圖4所示，此電路共有2種工作模式。

圖4 模擬開關(guān)和MS3110P的電路連接

模式一：單電容陣列掃描測量。在此模式下，CD4052_a工作, CD4052_b禁止，單片機控制模擬開關(guān)的時序來達到分別測量電容陣列的目的，真值表見表1。表1中，B、A分別代表模擬開關(guān)的兩個引腳，其高低電平用于選擇模擬通道。

表1 單電容陣列掃描測量模式

模式二：差分電容陣列掃描測量。工作在此模式下時，CD4052_a和CD4052_b均工作，單片機同時控制兩片模擬開關(guān)的時序進行差分掃描測量，真值表見表2。

表2 差分電容陣列掃描測量模式

2.3 MS311P性能分析

為了測試MS3110P芯片的性能，我們通過編程改變芯片內(nèi)部的可調(diào)電容陣列，將其輸入引腳與模擬開關(guān)的輸出引腳相連，最終得到圖5（a）所示的曲線。圖5（a）中，實線為測量的原始信號，其震蕩波形顯示了程序加載芯片內(nèi)部電容CS2時的執(zhí)行過程，星點線為對原始信號進行采樣濾波后的結(jié)果，可以看出MS3110輸出的線性度非常好。實驗中，選取Gain=2, 可調(diào)積分電容Cf=9.5 pF，VREF=0.5 V，那么MS3110理論傳遞函數(shù)為。其中：C表示待測電容值，單位為皮法（pF）；V表示輸出電壓值，單位為伏特（V）。

在實際測定過程中，設(shè)置CS1=0 pF，另CS2以76 fF的步長依次增大，其輸入輸出擬合曲線如圖5（b）所示。其中橫軸為被測標準電容值，縱軸為電容檢測電路的電壓值。由圖5（b）可得平均回歸函數(shù)為V0= 0.540 37C+0.510 95，與理論基本吻合，其平均線性相關(guān)系數(shù)為0.999 78［5］。系統(tǒng)的靈敏度為0.540 37 V/pF。

測試結(jié)果表明，由于MC9SXS128MAL集成的A/D轉(zhuǎn)換器為12位，當Cf取9.5 pF時，系統(tǒng)對電容的分辨率只有0.54 fF?？梢?，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是制約檢測精度的重要因素，因此可考慮采用更高位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器。

圖5 MS3110P線性度測試

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 解決模擬開關(guān)產(chǎn)生的電荷注入效應

解決模擬開關(guān)產(chǎn)生的電荷注入效應主要有兩種辦法。

一種是白國花等人提出的用CPLD設(shè)計合理的開關(guān)時序，并采用差動原理消除電子開關(guān)的電荷注入效應［6］。但在實際芯片中，同一片模擬開關(guān)的不同通道的電荷注入效應是存在強弱差異的（見圖6），因此，這種方法很難達到預期的目的。

另一種方法是利用如圖7所示的P控制器，實時匹配由模擬開關(guān)電荷注入效應產(chǎn)生的電容和MS3110P內(nèi)部可調(diào)電容。即：將四個通道設(shè)定為相同的初始值，本實驗設(shè)定為0.5 V，通過A/D 和P控制器將采集結(jié)果反復迭代至預定的期望值（圖8）。圖8（a）是單電容陣列測量模式調(diào)整測試過程，預設(shè)值為0.5 V。圖8（b）是差分電容陣列測量模式調(diào)整測試過程，預設(shè)值為2.25 V。其中曲線震蕩部分是程序的執(zhí)行過程，點畫線是四個通道調(diào)整的過程，實線是調(diào)整后的四個通道的輸出，三角形標記表示調(diào)整過程中有效輸出值，圓點線為插入標準電容后的輸出。

圖6 同一模擬開關(guān)不同通道的輸出

圖7 P控制器流程圖

圖8 P控制器調(diào)整測試過程

分析圖8可知，測出的電容值比標準電容值平均大0.6 pF, 為了驗證這是否是由電路板中接插件等產(chǎn)生的寄生電容所引起的，做了如下實驗。

3.2 探索寄生電容的由來

由于電容式傳感器的初始電容量很小，一般在皮法級，而連接傳感器與電子線路所用電纜的電容、雜散電容，以及傳感器內(nèi)極板與周圍導體構(gòu)成的電容等所形成的寄生電容卻較大，這些電容不僅降低了傳感器的靈敏度，而且它們的大小隨機變化，使儀器工作很不穩(wěn)定，影響測量精度，甚至使傳感器無法正常工作。因此必須找到它們的產(chǎn)生途徑，并設(shè)法減小其對電容傳感器的影響［7］。

單電容測量模式下的測量結(jié)果如圖9（a）示。其中，點畫線表示經(jīng)過P控制器調(diào)整好后的測量系統(tǒng)，星號標記代表測量的有效值。將空板電容、空板加標準電容的總電容、待測電容和標準電容值畫在同一圖上，得到圖9（b）。差分電容測量模式的測量結(jié)果見圖10。

從圖9（b）和圖10（b）可以看出，除去空電路板電容后，測量結(jié)果更接近于實際值。但在單電容陣列掃描測量模式下，測量結(jié)果還是比實際值平均偏大0.2 pF, 這可能是由焊錫引起的寄生電容?？梢?，在此實驗中差分電容陣列測量模式比單電容測量模式精度高。在實際的MEMS傳感器測量中，測量的都是電容的變化量，故這個誤差不會影響測量結(jié)果。

圖9 單電容模式下的電容陣列測量結(jié)果

圖10 差分電容模式下的電容陣列測量結(jié)果

對于空PCB板，其寄生電容是由空PCB板與電路板之間連接用的排針之間產(chǎn)生的。電容的表達式為C=ε0εrS/d，其中ε0和εr分別表示真空介電常數(shù)和電介質(zhì)相對介電常數(shù)，d表示極板間距，S是電容電極板面積。可知，相鄰插針間距d越小，寄生電容就越大；相間插針間距d越大，寄生電容就越小。將接口處進行剖視，得到如圖11中的剖視圖A-A，可估算出其接觸面積S≈2.5×0.8×10=20 mm2。取插針外圍的塑料的相對介電常數(shù)為6，兩相鄰插針間距為2.54 mm，但考慮到插針直徑為0.8 mm，因此取電極間距約為2 mm, 可以求得寄生電容值為0.531 pF。此值跟測量結(jié)果之間存在微小誤差，這可能是忽略了焊錫產(chǎn)生的電容引起的。

圖11 空板電容分析

另外，由圖11中可以看出，雖然都是相間引腳，1、3引腳間的電容值卻大于2、4引腳間的電容值。觀察PCB板可知，1、3引腳的走線長且彎曲，而2、4恰好相反?？梢姡琍CB布線也是影響寄生電容的原因之一。

3.3 寄生電容的抑制方法

根據(jù)實驗結(jié)果［8］可以得出結(jié)論，采取以下措施可抑制寄生電容的產(chǎn)生：1）電容和測量電路盡可能不用接插件連接，或使兩者一體化；2）在無法滿足1）的情況下，可以將接口一分為二，即增大兩電極間的距離，從而降低寄生電容的干擾［9］。

4 結(jié)束語

（1）通過實驗詳細闡述了MS3110P通用電容檢測芯片的性能，驗證了該芯片具有良好的線性度，可用于MEMS電容陣列傳感器的測量。

（2）設(shè)計了基于MS3110P芯片的、能分別測量單電容陣列和差分電容陣列的檢測系統(tǒng)，提出了能自動匹配模擬開關(guān)產(chǎn)生的電荷注入效應的P控制，通過閉環(huán)控制實現(xiàn)了高精度測量，很好地解決了電荷注入效應帶來的電容誤差。

（3）探討了電容檢測電路寄生電容的產(chǎn)生原因及抑制方法，為設(shè)計電容傳感器電路提供了參考。

（4）實驗結(jié)果表明，該電容陣列檢測系統(tǒng)具有一定的測量精度和較高的靈敏度，能滿足MEMS傳感器微電容整列的測量要求。

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【責任編輯 梅欣麗】

Analysis and Design of Micro-capacitor Array Detection Circuit

GE Weidong，XU Dezhang，HE Huijuan
（a. Provincial Key Laboratory of Advanced Numerical Control and Servo Technology； b. Institute of Robot Industrial Technology, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China）

In view of the capacitance reading chip MS3110P has the internal programmable capacitor array that can be used for matching the capacitance error derived from the analog switches, this article analyzes the various performance indicators based on the experiments. A P controller used to match the charge injection effect conducted by the analog switch has been designed. The micro-capacitor array detection circuit owning the function of single capacitance array measurement mode and differential capacitance array measurement mode has been designed. Besides, causes of parasitic capacitance have been discussed. The experimental results have demonstrated the designed circuit overcame the impact of various parasitic capacitances on sensor and enhanced the measuring accuracy. It could also meet the needs of the measurement requirements of micro-capacitor array for MEMS sensors.

micro-capacitor array； tactile sensor； parasitic capacitance； MS3110P

TP212. 1

A

2095-7726（2015）03-0045-05

2015-01-01

國家自然科學基金項目（51175001）；安徽省高校省級自然科學研究項目（TSKJ2014B12）

葛維冬（1989-），男，浙江臨海人，碩士研究生，研究方向：機器人機構(gòu)與控制。