低噪声硅微陀螺敏感电容电荷读出电路设计

硅微陀螺敏感电容电荷读出电路性能的优劣直接决定着陀螺仪测量精度.通过对敏感电容读出电路的建模分析,采用差分调制技术实现了低噪声信号输出,从电路组成、参数设置、PCB布局布线等多方面综合考虑,优化设计了能抑制低频噪声以及高灵敏度电荷读出电路.实验结果表明:该电路输出噪声为-116.24 dBV/√Hz,敏感电容检测分辨率可达1.16 ×10-19 F√Hz.     

基于电容桥的差动电容检测方法

数字闭环石英挠性加速度计系统主要由石英挠性加速度计表头和数字检测电路组成,其极限精度取决于差动电容检测电路的灵敏度。针对数字闭环石英挠性加速度计前端差动电容检测的需求,给出了一种基于电容桥的差动电容检测方法。利用数字电路产生高频方波进行单载波调制,同时利用交流电容桥结构对载波信号进行处理,并设计后续的差分放大电路对载波信号进一步处理最终实现对微弱差动电容变化的检测。经过实验验证,检测电路对电容的检测最终实现最小分辨率约为1. 8 f F(对应加速度变化1μgn)。     

磁悬浮转子微陀螺的电容检测系统分析和实现

介绍了一种新型磁悬浮转子微陀螺的电容检测方案,其特点是检测定子上径向分布的电容极板和悬浮转子形成差动电容的变化.检测电路为基于相关检测原理的交流电容电桥的方法.电路实现中采用积分电荷放大器作为前置级,对其输出和噪声进行了深入的分析.之后,前置级的输出信号经过低噪声放大器进行放大,再通过带通滤波以及相关解调等电路实现检测系统需要的输出幅值和信噪比.实验证明,实现的检测系统对角度输入有较好的线性响应,角度分辨率达到0.1°,即可检测到的电容变化约为1fF.     

基于FPGA的数字式电容检测系统

基于微机械工艺制作的加速度计,广泛采用差动结构电容变化来反映被测量的方向和大小。近年来针对该需求研制了检测微小电容变化的电路。采用基于FPGA实现的数字式电容检测系统,具有高精度和稳定度,对寄生电阻、电容不敏感,并直接采用数字接口输出。它检测电容变化范围为±2pF,电容检测分辨率可达到0.115fF。将系统连接到灵敏度为1.056pF/g的加速度计后,可以测量的加速度分辨率为0.107mg,对应的动态范围为4.0×104。     

高精度微弱电容检测系统的设计

针对微弱电容信号的检测问题,提出了一种基于FPGA和数字解调的高精度微弱电容检测系统;通过硬件设计和软件设计,实现了由电源电路、C/V转换电路、FPGA电路、A/D转换电路等组成的高精度电容检测系统;阐述了利用载波调制进行微弱电容检测的原理和系统硬件电路的实现方案,并给出了基于cordic算法的载波生成、数字解调和AD采样控制在FPGA中的具体实现;实际运行表明,该检测系统的电容检测分辨率可达到5fF,具有精度高及抗干扰能力强等优点.     

基于CPLD和TDC的微电容传感器信号检测电路设计

针对电容传感器的工作原理,以复杂可编程逻辑器件(CPLD)为核心,采用基于时间数字转换器(TDC)技术的芯片PS021,设计了一种高精度的微小电容测量电路。给出了PS021的测量原理和电路的软、硬件设计。采用PS021结合CPLD采集处理电容信号,外围电路简洁,应用方便,软件设计通过对PS021内部可编程寄存器的合理设置实现高精度的测量。实验结果表明:电路在10 Hz刷新频率时能够达到8 aF的有效精度,最高刷新频率可达50 kHz;电路实现了1 fF～0.01 aF的分辨率,有效精度位(ENOB)可达22位;高精度高刷新率可缓和测量速度和分辨率的矛盾,提高了微小电容的测量精度。     

电容式微机械陀螺接口电路

接口电路是电容式微机械陀螺研制中的关键技术之一.给出了一种通用的电容式微机械陀螺接口电路方案.该方案包括电容检测和信号处理两个模块.相位相反幅度相同的两路高频载波加在敏感差动电容的两端形成敏感电桥,另一频率的高频载波叠加了驱动信号后加在驱动差动电容两端形成驱动电桥,质量块作为所有电容的公共端连接两电桥接虚地的放大器,构成前置电容检测模块;后续的带通滤波电路将驱动和敏感信号分离,各自解调滤波得到两个模态相应的振动信息,驱动振动对敏感振动再次解调即可得到和输入角速度信号成线性关系的直流电压.采用音叉电容式陀螺进行实验,结果表明该电路能够有效的能够有效的抑制寄生电容和各个接口电容之间电耦合的,电容分辨率可以达到10-15F.     

调幅式电容位移传感器开关检波电路设计

针对调幅式电容位移传感器乘法器检波存在的速度慢、功耗大和热噪声大问题,设计了一种基于模拟开关的全波检波电路.首先,对开关全波检波和开关半波检波原理进行分析,根据分析结果选择了全波检波方法.在此基础上,完成开关全波检波电路设计与测量系统其它部分设计.最后,利用八位半数字表3458A对检波电路与测量系统性能指标进行测试.测试结果表明:检波电路可以实现0.1mV的分辨率,测量系统在150 ～650 μm范围内分辨率达30 nm,系统示值稳定性0.1mV/30 min,电容测量系统最大测量偏差为20 nm.该测量系统满足电容测微系统稳定性好、准确性高的要求.     

交流型微小电容测量电路的研制

微小电容测量电路是电容层析成像系统硬件核心部件。本文提出并实现了一种激励信号幅值可控交流型微小电容测量电路实验结果表明电路的线性度、分辨率、稳定性等性能指标均达到成像系统的要求。     

电容式微加速度传感器信号处理电路的设计

介绍了一种新型的电容式微加速度传感器的信号处理电路,可以用来检测电容式微加速度传感器敏感的加速度.该电路采用电荷敏感原理,能较好地消除寄生电容的影响.同时电路工作于闭环模式,具有稳定的工作特性.实验结果表明该电路不仅能很好的消除外部环境噪声的干扰,同时提高了传感器的整体性能.     

基于四相检测技术的微电容传感器

一种基于四相检测技术的电荷转移式微电容传感器,具有很强的消除杂散电容影响的能力,适用于被检测对象电容值小于1pF的场合,分辨力达1fF,灵敏度高于1V/pF,并能输出4～20mA的电流。其优良的性能和低廉的价格,使得微电容传感器的广泛推广应用成为可能。     

基于环状电极的电容式润滑油磨粒检测系统设计

摩擦副非正常磨损时将产生直径为几十微米的大金属磨粒。采用阻抗类方法检测磨粒时,要求传感器具有较高的灵敏度。为此,设计了差分结构的环状极板电容式传感器。应用电容/数字转换芯片AD7746将传感器的输出直接转换为数字信号,省去了前端复杂的信号调理电路,简化了设计,并且有效地降低了寄生电容和杂散电容的影响。实验表明:系统分辨率可以达到0.125 fF,极大提高了系统灵敏度。     

用于差动电容传感器的高分辨率电路的研究

本文提出了一种用于差动电容传感器的电路 ,采用弱信号检测技术 ,将被测微小电容变化量转换成直流电压信号 .输出电压与差动电容变化量成线性关系 ,经过单片机处理后能自动补偿偏差电容和电路的漂移 .实验表明 ,最小被测电容变化量可达 8f F,灵敏度可达 3.82× 10 1 1 V/ F.实验结果和理论分析具有良好的一致性     

A Single-Crystal Silicon Symmetrical and Decoupled MEMS Gyroscope on an Insulating Substrate

This paper presents a single-crystal silicon symmetrical and decoupled (SYMDEC) gyroscope implemented using the dissolved wafer microelectromechanical systems (MEMS) process on an insulating substrate. The symmetric structure allows matched resonant frequencies for the drive and sense vibration modes for high-rate sensitivity and low temperature-dependent drift, while the decoupled drive and sense modes prevents unstable operation due to mechanical coupling, achieving low bias-drift. The 12–15-$mu m$-thick single-crystal silicon structural layer with an aspect ratio of about 10 using DRIE patterning provides a high sense capacitance of 130 fF, while the insulating substrate provides a low parasitic capacitance of only 20 fF. A capacitive interface circuit fabricated in a 0.8-$mu m$CMOS process and having a sensitivity of 33 mV/fF is hybrid connected to the gyroscope. Drive and sense mode resonance frequencies of the gyroscope are measured to be 40.65 and 41.25 kHz, respectively, and their measured variations with temperature are$+18.28~ Hz/~^circ C$and$+18.32~ Hz/~^circ C$, respectively, in$-40~^circ C$to$+85~^circ C$temperature range. Initial tests show a rate resolution around 0.56 deg/s with slightly mismatched modes, which reveal that the gyroscope can provide a rate resolution of 0.030 deg/s in 50-Hz bandwidth at atmospheric pressure and 0.017 deg/s in 50-Hz bandwidth at vacuum operation with matched modes.hfillhbox[1195]     

一种单片集成电容式压力传感器的设计、制造和测试

提出了一种新型电容式压力传感器.在外加压力下,该传感器的极板面积、间距以及介质层介电常数均发生改变,并导致电容发生变化.同时介绍了接口电路的设计,该电路基于电容-频率转换原理.该传感器结构简单,实现了与CMOS接口电路集成.传感器采用标准CMOS工艺与后处理工艺相结合的方式制造.结果表明,在800 hPa到1 100 hPa的压力范围,传感器灵敏度约为44 fF/hPa,接口电路的分辨率为3.77 Hz/hPa.     

基于AD7745的微电容加速度计测量电路设计与实现

AD7745是世界上首款24bit数字输出的电容读取芯片,可以测量一对差分电容。它的输入共模偏置电容最大可到17PF,输入电容变化范围为±4pF,采样频率/通频带为10Hz到90Hz。基于AD7745的微电容加速度计测量电路系统有两种输出方式:一方面通过16bit的D/A将数字信号转换成模拟电压信号,实时输出到示波器;另一方面可将AD7745的24bit输出结果通过串口输入到计算机里,由计算机实现波形显示、分析。对PCB布线进行优化后,试验测得采样频率为90.9Hz时,AD7745数据的实际有效位数为14.5bit,对应分辨率为0.37fF。     

电荷转移式原油含水率传感器的研究

基于电荷转移法测量电容变量的原理,研制了一种电容式原油含水率传感器及其仪器。介绍了传感器的电荷转移等变换电路的原理及特点,给出了电路的实验模型及仪器的含水率实验结果。该转换电路的电容分辨率达０．１ｐＦ,频率稳定度达１０－４,仪器的含水率在线测量误差＜１％（ＦＳ）。     

基于Pcap01芯片的高精度微电容检测系统设计*

本文介绍了一种基于Pcap01的微弱电容检测系统的硬件、软件设计和实验测试。系统硬件主要由微电容测量芯片Pcap01、单片机STC12LE5A60S2最小系统以及供电电路构成。系统软件包括下位机的C程序和基于Labview软件实现的上位机。下位机实现了电容数据采集、Pcap01与单片机之间的SPI通信以及将数据发送给上位机的功能。上位机可实现数据处理、实时显示以及测试数据的存储。实验测试结果表明,该系统的数据检测均误差可低至2.9093fF。系统具有精度高,抗干扰性强,实时性的特点,实现了电容式生物传感器与接口电路的集成。     

基于永磁薄膜的MEMS磁传感器设计与制作

提出了一种基于永磁薄膜的新型MEMS磁传感器,磁传感器由MEMS扭摆、CoNiMnP永磁薄膜和差分检测电容等部分组成。分析了磁传感器的磁敏感原理和电容检测原理,提出了器件的结构参数并对器件进行了模态仿真。利用MEMS加工技术成功制作了MEMS磁传感器样品,并进行了测试。测试结果表明:得到的MEMS磁传感器的电容灵敏度可达到27.7 fF/mT,且具有良好的线性度。根据现有的微小电容检测技术,传感器的磁场分辨率可达到36 nT。