发布日期：2022-10-09 点击率：45
引 言
硅压力传感器具有精度高、稳定性好等优点，在工业中广泛应用。但是，由于硅材料本身的限制，使其无法用于高温和腐蚀等特殊环境中。而陶瓷电容式压力传感器采用特殊陶瓷材料制作，具有抗腐蚀、耐高温等优点，弥补了硅压力传感器的上述缺点，可用于高温、腐蚀等特殊环境下。现今，国内有大量的需求，但是还没有国内厂家能够生产。因此，开发出一种实用的陶瓷压力传感器具有非常重要的现实意义。
陶瓷压力传感器通常采用多电容结构，在陶瓷膜片上同时烧结两个电容，一个作为参考电容， 以消除温度对传感器输出的影响；另一个为测量电容，其变化量与传感器所受压力的变化量近似成正比，通过检测变化量就能得到传感器所受的压力。
1 电容式传感器设计的目的与任务
1.1电容式传感器设计的目的
⑴ 巩固所学知识，加强对传感器原理的进一步理解；
⑵ 理论与实际相结合，“学以致用”；
⑶ 综合运用知识，培养独立设计能力；
⑷ 着重掌握典型传感器的设计要点，方法与一般过程；
⑸ 培养学生精密机械与测控电路的设计能力。
1.2电容式传感器设计的要求
⑴ 设计时必须从实际出发，综合考虑实用性、经济性、安全性、先进性及操作维修方便。如果可以用比较简单的方法实现要求，就不必过分强调先进性。并非是越先进越好。同样，在安全性、方便性要求较高的地方，应不惜多用一些元件或采用性能比较好的元件，不能单纯考虑简单、经济；
⑵独立完成作业。设计时可以收集、参考传感器同类资料，但必须深入理解，消化后再借鉴。不能简单地抄袭；
⑶在课程设计中，要随时复习传感器的工作原理。积极思考。不能直接向老师索要答案和图纸。
⑷设计传感器测头机械机构方案，绘制总装图（CAD为工具），编写传感器设计说明书。
2 传感器设计方案的选择
设计一台电容式传感器
设计要求如下：
⑴量程范围：0～25Mpa
⑵工作电压 5V
⑶相应时间<1ms
⑷稳定性
电容式传感器一般是将被测量的变化量转换为电容量的变化。目前，基于这种原理的各种类型的传感器已在测量加速度、液位、几何孔径等方面得到了广泛的应用。但以电容为变化量的传感器（尤其是MEMS传感器），其电容变化范同往往只有几个pF，甚至几个fF。这便对电容检测的精度提出了很高的要求，尤其是在传感器的研发过程中，往往需要极高精度的电容检测设备对传感器进行测试与调校。但是一直以来国内外都缺乏能够对微小电容进行实时检测的专用仪器，普遍的做法是针对所研发的传感器自行设计、制做专门的电容检测电路，这无疑增加了传感器设计的难度与工作量。针对这一问题，我们设计了通用的电容式传感器检测系统。该系统能够对微小电容进行实时检测，并可以通过上位机实现实时显示、存储等功能。
1 总体设计
电容式传感器的检测方法主要有：设计专用ASIC芯片；使用分立元件通过电容桥、频率测量等原理实现测量；使用通用电容检测芯片将电容转换为电压或其他量等。从技术难度、测量精度等多方面考虑，本系统采用集成电容检测芯片来完成对电容式传感器的检测。系统结构框图如图1所示。电容检测芯片选用Irvine Sensor公司的MS3110。MS3110将电容量转换为电压量输出（量程为0～10 pF）。单片机MSP430F149集成的12位A／D转换器对输出电压进行采样，并通过I／O端口对MS3110内部寄存器进行设置。数据经采样后通过串口传送到上位机进行处理、实时显示、存储等。上位机由普通微机构成。
2 系统硬件设计
2．1 MS3110简介及寄存器设置
MS3110是Irvine Sensor公司生产的具有极低噪声的通用电容检测芯片。它采用CMOS工艺，工作电压为+5 V，测量灵敏度为，集成的补偿电容等参数均可以通过寄存器控制。其基本测量原理为：对被测电容与参考电容同时以相反时序充放电，通过电流积分、低通滤波、放大等将被测电容与参考电容差值转换为电压输出。MS3110内含一个60位的寄存器和100位的EEPROM。可通过单片机MSP430F149的I／0口对其EEFROM编程，或使MS3110工作在测试状态直接对寄存器进行编程。通过这些设置可对MS3110内部各个模块的参数进行精确的调节。
MS3110原理框图如图2所示。MS3110主要由电容补偿电路、电荷积分电路、低通滤波器以及运算放大器组成。
其中，CSlIN、CS2IN为被检测电容，CSl、CS2为MS3110内部的可调电容。通过对内部寄存器进行设置，CS1可在O～1．197 pF范围内调节，CS2可在0～9．709pF范围内调节。CF为电荷积分器的积分电容，可在O～19．437 pF范围内调节。以上3个可调节电容的调节步进均为19 fF。低通滤波器的带宽可在O．5～8 kHz范围内调节，可调增益GAIN可选择2或4。
另外，参考电压VREF、空载输出电压Vout等也可以通过寄存器进行精确调节。其空载输出电压的计算公式如下：
Vout=GAIN×V2P25×1．14×（CS2T-CS1T）／CF+VREF （1）
式中：CSlT=CS1IN+CSl，CS2T=CS2IN+CS2；本系统中可调整的内部增益GAIN取2；V2P25为芯片参考电压输出，默认值为2．25 V；参考电压VREF可选O．5 V与2．5 V两个值，本系统中选取O．5 V。由于烧写EEPROM需要额外的16 V电压，本系统中将TEST引脚拉低使芯片处于测试状态，通过I／O即可直接更改其寄存器。由于掉电后寄存器数据将丢失，所以每次上电后都需要对所有的寄存器进行初始化。需要特别指出的是，MS3110数据手册中给出的写寄存器时序图中，将数据输入时钟SCLK周期标为固定值2μs。在实验中我们发现，周期大于2μs时均可成功设置。
2．2 MSP430F149简介及通信接口设计
系统使用MSP430F149集成的12位A／D转换器进行A／D转换。MSP430F149在1 MHz的时钟频率下运行时，芯片的电流在200～400μA左右；在等待方式下，耗电仅为O．7μA；在节电方式下，电流最低可达0．1 μA。集成的12位A／D转换器具有较高的转换速率，最高可达200 kbps，能够满足大多数数据采集应用，为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
MSP430F149集成的A／D转换器可采用内部2．5 V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2．25 V参考电压输出作为A／D转换器的参考电压。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。
与上位机的通信接口采用MSP430F149集成的串行接口，通过MAX3232芯片转换为三线RS232接口与计算机串口直接相连。
3 系统软件设计
系统软件包括单片机软件与上位机软件两部分。
3．1 单片机软件设计
采用IAR Assembler for MSP430集成开发环境，使用C语言编写了单片机部分的程序，主要包括系统初始化、测量芯片寄存器初始化、测量与数据传输等。单片机软件流程如图3所示。
单片机初始化包括单片机I／O初始化、串行口参数初始化、A／D转换器初始化，以及与上位机通信接收系统参数等。MS31lO初始化是通过单片机I／O对MS3110内部寄存器进行初始化，包括参考电容值、可调增益、初始电压等参数。采样开始后，单片机按照设定采样率进行采样；采样结束后，将数据经转换后传送给上位机进行处理、显示与存储。
3．2 上位机软件设计
采用VC++6．0软件和C++语言编写系统的上位机软件。软件功能主要包括设置参数，与下位机通信，数据实时图形化显示、存储和读取等。上位机软件界面如图4所示。
4 精度测试与分析
进行测试前，首先应对电路的初始输出进行校准。方法如下：将CSl、CS2设置为O，使用用高精度电压表对MS3110芯片输出电压进行测量，输出为O．497 192 V，将式（1）中的VREF修正为0． V。
在电路板CS2IN位置上焊接一个1．8 pF多层陶瓷电容，用于模拟外部电容式传感器；芯片内部可调电容CS2由O逐步步进到342 fF，以模拟传感器电容的变化，步进值为19 fF。具体寄存器参数设置如下：CSl设为O，为CF设9．728 pF，可调增益GAIN设置为2，V2P25设为2．25 V，其他参数均取手册推荐值。通过实验测得，当CS2取O时，测量值为1．960 021 pF。与电容标称值的差异主要是由电容本身容差与电路的分步电容引起的。由式（1）可得：
CS2=（Vout-VREF）CF／（GAIN×V2P25×1．14） （2）
代入具体数值可得：
CS2=（Vout-0．497 192）×9．728／5．13 （3）
其中，Vout=（A／D采样值／4 095）×2．25。精度测试实验结果如表1所列（实测容值为10次测量的均值）。
测试结果表明，该电容式传感器检测系统具有较高的检测精度，平均误差仅为0．879 fF，最大绝对误差小于1．6 fF。由于MSP430F149集成的A／D转换器为12位，当CF取9．728 pF时，系统对电容的分辨率只有1．042fF。可见，A／D转换器的分辨率是制约检测精度的重要因素。在对系统进行改进时，可考虑采用更高位数的A／D转换器。
结语
本文基于电容检测芯片MS3110设计了一款电容式传感器检测系统，给出了设计要点和需要注意的问题。该系统具有较高的测试精度，可用于电容式传感器检测与研发。
描述
电容式感应触摸开关
触摸开关按开关原理分类有电阻式触摸开关和电容式触摸开关，在多种技术中，电容式触摸感应技术已经成为触摸感应技术的主流，在按键方案上，能为产品带来整体的外观档次提升。
电容式感应触摸开关可以穿透绝缘材料外壳 20mm （玻璃、塑料等）以上， 准确无误地侦测到手指的有效触摸，保证了产品的灵敏度、稳定性、可靠性等不会因环境条件的改变或长期使用而发生变化，并具有防水和强抗干扰能力。
电容感应式触摸开关，需要稳定的单火线电源处理以及稳定可靠的触摸感应芯片，做到防误触发、防各种电磁干扰、负载干扰、环境干扰、甚至需要防水防尘功能等智能触摸开关功能要求。
电容式传感的基本原理
触摸开关按开关原理分类有电阻式触摸开关和电容式触摸开关，在多种技术中，电容式触摸感应技术已经成为触摸感应技术的主流，在按键方案上，能为产品带来整体的外观档次提升。
电容式感应触摸开关可以穿透绝缘材料外壳 20mm （玻璃、塑料等）以上， 准确无误地侦测到手指的有效触摸，保证了产品的灵敏度、稳定性、可靠性等不会因环境条件的改变或长期使用而发生变化，并具有防水和强抗干扰能力。
电容传感技术为开发人员提供了一种与用户互动的全新方式，在设计一个电容感应式触摸开关时，需要考虑许多不同的因素。从以往的使用经验来看，在各种不同的工作条件下，开关的灵敏性必须与多种情况相兼容。本节我们要讨论在设计电容感应式触摸开关PCB触点图形时，各种不同的排板设计对开关灵敏度的影响，包括电容式传感技术如何使器件具有更高的可靠性以及管理电容式传感技术的控制器如何通过提供更多功能为客户带来增值服务和降低维护成本。
机械开关比较容易磨损，甚至磨坏产品外壳，导致缺口或裂口处侵入污染物。电容式传感器就不会发生损坏产品外壳的情况，也不会出现缺口粘连物，更不会出现磨损。因此，采用这种技术的开关器件是替代多种机械开关产品的理想选择。
如下图所示，电容式开关主要由两片相邻的电路极板构成，而根据物理原理，两片极板之间会产生电容。如果手指等导体靠近这些极板，平行电容（parallelcaPACi-tance）就会与传感器相耦合。将手指置于电容式传感器上时，电容量会升高；移开手指，电容量则会降低，通过测量电容量就可以判断手指的碰触。
电容式传感器由两片电路极板及相互之间的一定空间所构成。这些电路极板可以是电路板的一部分，上面直接覆盖绝缘层，当然，也可以使极板顺应各种曲面的弧度。
构建电容式开关的要素包括：电容器、电容测量电路系统、从电容值转换成感应状态的局部智能装置。
典型的电容式传感器电容值介于10～30pF之间。通常来说，手指经由Imm绝缘层接触到传感器所形成的耦合电容介于1～2pF的范围。越厚的绝缘层所产生的耦合电容愈低。若要传感手指的触碰，必须实现能够检测到1%以下电容变化的电容传感电路。
增量求和调制器是一种用于测量电容的高效、简单的电路，下图给出了典型的拓扑结构。相位开关使传感器电容向积分电容中注入电荷。该电压持续升高，直到大于参考电压为止。比较器转为高电压，使放电电阻器开始工作。在积分电压降至参考电压以下时，该电阻器停止工作。比较器提供所需的负反馈，使积分器电压与参考电压相匹配。
传感器充电电流
在第1阶段，传感电容（Csensor）的充电达到供电电压水平；在第2阶段，电荷被传输至积分电容（Cint）。反馈使积分电容上的电压接近参考电压（kVdd）的值。每次启动该开关组合都会传输一定量的电荷。对于下式显示的充电电流而言，电荷传输的速度与开关频率（fc）成正比
放电电流
放电电流通过电阻实现。在比较器高电压时，会启动开关以连接至放电电阻。比较器按一定比例在高、低压间循环，以使积分电容电压等于参考电压。可将比较器为高电压时的百分比定义为“DensitYout”，仅在这部分百分比的时间段放电。有关电流的计算为
在稳定状态下，充电电流与放电电流必须匹配。设置IC使其与ID相匹配，则得到
传感器电容与密度成正比。已知采样频率、放电电阻以及参考电压（VDDK），只需测量密度就能计算出传感器的电容。可使参考电压与供电电压成正比，这样供电电压就对电容／密度的计算结果没有影响了，这也使得该电路对于电源具有较强的抗波动能力。
数字电路用于检测密度，下图给出了这种电路的范例。
该脉宽调制器（PWM）可控制密度输入至计数器（enablegate），如果PWM的脉宽为“m”个周期，假设在这段时间中计数器积累了“n”个采样，那么密度则为n/m；如果PWM的脉宽为100个周期，就会得到1/100的分辨率，这个时间再扩大10倍，则得到的分辨率。观测的周期数越大，分辨率也就越高。
触摸传感电容开关不带任何机械部件，并能轻松顺应曲面应用的要求，因而能够成为当前各类产品应用的理想技术。利用动态再配置功能，我们可实现硬件的重复使用，在不增加额外成本的情况下实现更多的系统功能。
对开关灵敏度的影响
光有一个触摸感应开关是不能使用的，除非系统能可靠测定开关所处的状态。使用机械开关来实现电气连接是没问题的，如果机械开关能合理地连接，那么能正确地决定开或关的状态。使用感应触摸开关时，开关所处的状态有时很难明显界定。
电容感应式触摸开关在实际应用时，可能会出现：当使用者的手指在碰到触摸开关时，触摸感应开关端的电容还没有充分地充电而手指已经离开了触摸点，那这时开关的状态处于何种状态呢？因此当手指碰触时，为了增加检测开关的可靠性，使电容充电最佳化，下列几项内容对充电电容的性能参数影响较大。
（1）尺寸、形状和在PCB上的开关放置位置。
（2）连接在PCB和使用者手指之间的材料。
（3）连接到开关与MCU之间连线参数。
上述这些条件，对触摸式感应开关的灵敏度都有直接的影响，因此必须正确设计感应开关。
触摸感应开关的PCB图形
为了获得“开关电容PCB图形”，下图给出了触摸感应开关的12种PCB设计图形。这些感应开关具有不同的形状与尺寸，我们将其排列成三列（A～C）、四行（1～4），其中A列与C列的尺寸是20mmX20mm，B列的尺寸是15mmX15mm。
A列与B列具有不同的尺寸，但是走线和距离是相同的；B列与C列也具有不同的尺寸，但是它们的走线和间隔是按比例增加的。下表给出了不同尺寸与不同形状的PCB图形具有不同的感应电容值。对于触摸感应式开关来说，一个好的开关应具有好的灵敏性和高的感应电容值，因为这样可将走线的寄生电容与电感的影响降到最低，对开关的影响最小。
比较下图与下表中数据可知，A列与C列的PCB图尺寸相同，但电容量却不同，这是因为在A列与C列的PCB图形中，在相同的20mm×20mm外框包围中其内部的走线密度不同所致。比较A列与B列可知，其感应电容量不同是由于其尺寸不同所致。
在设计触摸感应开关电容时需要考虑两个主要因素，一个是开关电容的尺寸，另一个是其形状，当然与触摸开关上面连接的材料特性与厚度也有关系。
不同材料的影响
在许多产品中，PCB上的开关不能直接被使用者触摸到。从美观与对电路板的保护角度考虑，通常在PCB与使用者之间会隔着一层塑料或玻璃制品。
下表给出了在感应开关与使用手指之间采用不同材料、不同厚度对感应电容影响的百分比。
从下表中可知，在PCB与用户手指之间放置不同材料，对感应电容影响效果是明显的，因此在设计该类产品时，我们可以按照下面的设计规则。
（1）开关图形的设计。无论在静态与动态时，上图中的第4行、第4列展示出最好的电容特性，不但图形设计容易，而且开关特性安全可靠。
（2）为了使PCB与手指间的感应电容改变最小，需要使用最薄的材料。
（3）为了使触摸开关具有绝对的电容量，所使用的材料需要具有更高的介电常数。
相对于在开关与其他电容之间的更高电容值，例如，走线或其他电容，在静态或动态时，MCU能直接检测到电容量的改变。
走线长度
另外一个重要因素是连接在触摸开关与MCU之间走线的长度对开关的影响作用。
走线越长对开关的寄生电容效用越明显，过大的寄生电容会使开关不能正常工作。如果寄生电容太大，当手指与触摸开关接触时，过大的寄生电容使MCU不能检测到开关状态的变化。通常，根据不同的开关图形与所用的材料不同，触摸开关感应电容一般控制在2～15pF之间是比较合理的。
在设计触摸感应开关系统时，一个比较安全的准则是感应电容量改变0.5%时，MCU能检测到。必须仔细检查触摸开关PCB图形与走线，将感应电容设计到最小，因此，当手指碰触时典型的电容改变量控制在总电容量的0.5%。
供电电压VDD的影响
另一个设计考虑的因素是MCUVDD电压源。VDD电压的稳定与否，与MCU的安全可靠检测紧密相关。因为该电压直接影响了触摸感应电容的充电与放电开关特性，因此在触摸感应控制IC的VDD与Vss（地）之间必须设置旁路电容，同时前级最好用三端稳压器供电，供电电源走线必须短而粗，切忌设计成细而长且绕圈子的形式。
触摸感应开关设计
基于上述2、3点测试与设计限制的结论，在设计触摸感应开关时要考虑使用许多通用材料，例如玻璃、树脂塑料和ABS塑料等，为了实现有效控制和能采用多种材料，我们选择4C开关电路图形。即使电路开关具有最低的静态电容，它同样具有足够高的寄生电容和同样好的开关特性。下图是最佳的开关电路尺寸与图形。
为了防止在每个开关节点之间产生的耦合，两个相邻开关之间的距离至少要大于lOmm。如果距离小于10mm，那么检测将可能发生问题，但是更合理的设计必须经过计算。
如果在开关前面覆盖一个面板，特别要考虑其稳定性，在开关与面板之间必须紧密接触，不能有任何缝隙存在。因为缝隙同样能改变静态与动态电容。
如果系统需要多个开关，下图给出了最佳的PCB设计方案。虚线为顶层走线，按键同样设计在顶层，实线是底层走。
这种排列方式能减少走线之间的寄生电容量。
为了减少走线之间的寄生电容量，在PCB布板请按照以下方式：
（1）走线宽度不要超过0.3mm。
（2）避免信号线与地线平行。
（3）保持信号线之间的距离大于Imm。
（4）避免信号线穿越地平面。
（5）避免信号线接近高频或高变化率的电路。
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电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的特点是与其正确设计、正确选材以及精细的加工工艺分不开的。在设计传感器的过程中，在所要求的量程、温度和压力范围内，应尽量使它具有低成本、高精度、高分辨力、稳定可靠和好的频率响应等，但一般不易达到理想程度，因此经常采用折中方案。对于电容式传感器，为了发扬它的特点克服不足，设计时可以从下面几个方面予以考虑。
减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，以保证绝缘材料的绝缘性能。温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置及某些介质的介电常数发生改变，从而改变电容式传感器的电容量,产生温度误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。因此必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。
电容式传感器的金属电极的材料以选用温度系统低的铁镍合金为好，但较难加工。也可采用在陶瓷或石英上喷镀合金或银的工艺，这样电极可以做得很薄，对减小边缘效应极为有利。
传感器内电极表面不便经常清洗，应加以密封，用以防尘、防潮。若在电极表面镀上极薄的惰性金属(如铑等)层，则可代替密封件而起保护作用，可防尘、防温、防湿、防腐蚀，并且在高温下可减少表面损耗，降低温度系数，但成本较高。
传感器内，电极的支架除要有-定的机械强度外还要有稳定的性能。因此选用温度系数小和几何尺寸，稳定性好，并具有高的绝缘电阻、低的吸潮性和高的表面电阻的材料作支架。例如，可以采用石英、云母、人选宝石及各种陶瓷。虽然它们较难加工但性能远高于塑料、有机玻璃等材料。在温度不太高的环境下，聚四氟乙烯具有良好的绝缘性能，选用时也可以予以考虑。
尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的电介质(也不受湿度变化的影响)作为电容式传感器的电介质，若用某些液体如硅油、煤油等作为电介质，当环境温度、湿度变化时，它们的介电常数随之改变，产生误差。这种误差虽可用后接的电子线路加以补偿，但不易完全消除。
在可能的情况下，传感器内尽量采用差分对称结构，这样可以通过某些类型的电子线路(如电桥)来减小温度等误差。
选用50kHz至几兆赫作为电容式传感器的电源频率，可以降低对传感器绝缘部分的绝缘要求。
传感器内所有的零件应先进行清洗、烘干后再装配。传感器要密封以防止水分浸人内部而引起电容值变化和绝缘变坏。传感器壳件刚性要好，以免安装时变形。
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