微电容阵列检测系统的设计

葛维冬，许德章，何慧娟

（安徽工程大学 a.先进数控和伺服驱动技术安徽省重点实验室；b.机器人产业技术研究院，安徽 芜湖 241000）

微电容阵列检测系统的设计

葛维冬，许德章，何慧娟

（安徽工程大学 a.先进数控和伺服驱动技术安徽省重点实验室；b.机器人产业技术研究院，安徽 芜湖 241000）

通过实验分析了电容读取芯片MS3110P各项性能指标，并设计了一款能自适应匹配模拟开关产生的电荷注入效应的P控制器；开发出一款具有单电容阵列测量模式和差分电容阵列测量模式的微电容阵列检测电路，并探讨了其寄生电容产生的原因。测试结果表明，该检测电路克服了各种寄生电容对传感器的影响，提高了测量精度，能够应用于MEMS触觉传感器微电容阵列的测量。

微电容阵列；触觉传感器；寄生电容；MS3110P

电容式传感器由于具有结构简单、分辨力高、工作可靠、动态响应快、可非接触测量，并能在高温、高辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点，已在工农业生产的许多领域得到广泛应用，如在触觉传感器系统中，电容传感器被用来获得压力信号。

针对微电容单元的测量，国内外研究者进行了不少探索，并提出了多种测量电容的方法［1］，包括充/放电法、AC电桥法、交流锁相放大法、基于V / T变换的方法［2］、基于混沌理论的恒流式混沌法和基于电荷放大原理的方法［3］等；但这些方法难以测量微电容阵列，也无法对模拟开关本身的电容进行分析。

本文介绍了通用电容读取芯片MS3110［4-5］；设计了自适应P控制器，用于匹配模拟开关产生的注入电荷引起的电容［6］；探讨了寄生电容的由来，通过理论分析与探索实验，开发出一款具有单电容测量模式和差分电容阵列测量模式的微电容阵列检测电路。

1 电容检测芯片的介绍

MS3110的原理框图如图1所示。MS3110主要由电容补偿电路、电荷放大器、低通滤波器以及驱动放大器组成。CS1IN、CS2IN为被读取差分电容对；CS1和CS2为MS3110芯片内置的可调补偿电容阵列，用于调节由于输入电容不对称引起的偏置。Cf为电荷放大器的可调积分电容，用于调节前端积分器的增益。MS3110的理论传输函数为V0=[V2P25×1.14×Gain×（CS2T-CS1T）]/Cf+VREF。其中：CS1T=CS1IN+CS1=Ct1+Cn1+CS1；CS2T=CS2IN+CS2=Ct2+Cn2+CS2；V0为直流输出电压；V2P25为其输入参考电压，通常选2.25 V。Cf可通过编程调整，实验要求Cf≥1.5 pF；Ct1和Ct2为待测电容值；Cn1和Cn2为接插件的寄生电容；Gain取2或4，可通过编程选择；VREF取0.5 V或2.25 V，可通过编程选择。

图1 MS3110P等效测量电路

2 测量电路设计与分析

2.1 测量电路基本原理

基于MS3110P的微小电容测量电路由主控芯片、模拟开关、电容检测芯片MS3110P、虚拟仪器和上位机控制界面组成，系统框图如图2所示。

图2 微电容阵列检测系统框图

电路采用Freescale公司的MC9SXS128MAL为主控芯片，分别控制模拟开关、MS3110P和蓝牙。检测结果由MS3110P输出，经12位A/D采样，通过P控制器反馈到主控芯片实现闭环控制。所有参数经蓝牙传输到上位机，测量数据经虚拟仪器PXI4461采集卡传输到上位机显示（图3）。

图3 测量电路板和数据采集系统

2.2 模拟开关电路原理和特性分析

模拟开关和MS3110P的电路连接如图4所示，此电路共有2种工作模式。

图4 模拟开关和MS3110P的电路连接

模式一：单电容阵列扫描测量。在此模式下，CD4052_a工作, CD4052_b禁止，单片机控制模拟开关的时序来达到分别测量电容阵列的目的，真值表见表1。表1中，B、A分别代表模拟开关的两个引脚，其高低电平用于选择模拟通道。

表1 单电容阵列扫描测量模式

模式二：差分电容阵列扫描测量。工作在此模式下时，CD4052_a和CD4052_b均工作，单片机同时控制两片模拟开关的时序进行差分扫描测量，真值表见表2。

表2 差分电容阵列扫描测量模式

2.3 MS311P性能分析

为了测试MS3110P芯片的性能，我们通过编程改变芯片内部的可调电容阵列，将其输入引脚与模拟开关的输出引脚相连，最终得到图5（a）所示的曲线。图5（a）中，实线为测量的原始信号，其震荡波形显示了程序加载芯片内部电容CS2时的执行过程，星点线为对原始信号进行采样滤波后的结果，可以看出MS3110输出的线性度非常好。实验中，选取Gain=2, 可调积分电容Cf=9.5 pF，VREF=0.5 V，那么MS3110理论传递函数为。其中：C表示待测电容值，单位为皮法（pF）；V表示输出电压值，单位为伏特（V）。

在实际测定过程中，设置CS1=0 pF，另CS2以76 fF的步长依次增大，其输入输出拟合曲线如图5（b）所示。其中横轴为被测标准电容值，纵轴为电容检测电路的电压值。由图5（b）可得平均回归函数为V0= 0.540 37C+0.510 95，与理论基本吻合，其平均线性相关系数为0.999 78［5］。系统的灵敏度为0.540 37 V/pF。

测试结果表明，由于MC9SXS128MAL集成的A/D转换器为12位，当Cf取9.5 pF时，系统对电容的分辨率只有0.54 fF。可见，A/D转换器的分辨率是制约检测精度的重要因素，因此可考虑采用更高位数的A/D转换器。

图5 MS3110P线性度测试

3 实验与结果分析

3.1 解决模拟开关产生的电荷注入效应

解决模拟开关产生的电荷注入效应主要有两种办法。

一种是白国花等人提出的用CPLD设计合理的开关时序，并采用差动原理消除电子开关的电荷注入效应［6］。但在实际芯片中，同一片模拟开关的不同通道的电荷注入效应是存在强弱差异的（见图6），因此，这种方法很难达到预期的目的。

另一种方法是利用如图7所示的P控制器，实时匹配由模拟开关电荷注入效应产生的电容和MS3110P内部可调电容。即：将四个通道设定为相同的初始值，本实验设定为0.5 V，通过A/D 和P控制器将采集结果反复迭代至预定的期望值（图8）。图8（a）是单电容阵列测量模式调整测试过程，预设值为0.5 V。图8（b）是差分电容阵列测量模式调整测试过程，预设值为2.25 V。其中曲线震荡部分是程序的执行过程，点画线是四个通道调整的过程，实线是调整后的四个通道的输出，三角形标记表示调整过程中有效输出值，圆点线为插入标准电容后的输出。

图6 同一模拟开关不同通道的输出

图7 P控制器流程图

图8 P控制器调整测试过程

分析图8可知，测出的电容值比标准电容值平均大0.6 pF, 为了验证这是否是由电路板中接插件等产生的寄生电容所引起的，做了如下实验。

3.2 探索寄生电容的由来

由于电容式传感器的初始电容量很小，一般在皮法级，而连接传感器与电子线路所用电缆的电容、杂散电容，以及传感器内极板与周围导体构成的电容等所形成的寄生电容却较大，这些电容不仅降低了传感器的灵敏度，而且它们的大小随机变化，使仪器工作很不稳定，影响测量精度，甚至使传感器无法正常工作。因此必须找到它们的产生途径，并设法减小其对电容传感器的影响［7］。

单电容测量模式下的测量结果如图9（a）示。其中，点画线表示经过P控制器调整好后的测量系统，星号标记代表测量的有效值。将空板电容、空板加标准电容的总电容、待测电容和标准电容值画在同一图上，得到图9（b）。差分电容测量模式的测量结果见图10。

从图9（b）和图10（b）可以看出，除去空电路板电容后，测量结果更接近于实际值。但在单电容阵列扫描测量模式下，测量结果还是比实际值平均偏大0.2 pF, 这可能是由焊锡引起的寄生电容。可见，在此实验中差分电容阵列测量模式比单电容测量模式精度高。在实际的MEMS传感器测量中，测量的都是电容的变化量，故这个误差不会影响测量结果。

图9 单电容模式下的电容阵列测量结果

图10 差分电容模式下的电容阵列测量结果

对于空PCB板，其寄生电容是由空PCB板与电路板之间连接用的排针之间产生的。电容的表达式为C=ε0εrS/d，其中ε0和εr分别表示真空介电常数和电介质相对介电常数，d表示极板间距，S是电容电极板面积。可知，相邻插针间距d越小，寄生电容就越大；相间插针间距d越大，寄生电容就越小。将接口处进行剖视，得到如图11中的剖视图A-A，可估算出其接触面积S≈2.5×0.8×10=20 mm2。取插针外围的塑料的相对介电常数为6，两相邻插针间距为2.54 mm，但考虑到插针直径为0.8 mm，因此取电极间距约为2 mm, 可以求得寄生电容值为0.531 pF。此值跟测量结果之间存在微小误差，这可能是忽略了焊锡产生的电容引起的。

图11 空板电容分析

另外，由图11中可以看出，虽然都是相间引脚，1、3引脚间的电容值却大于2、4引脚间的电容值。观察PCB板可知，1、3引脚的走线长且弯曲，而2、4恰好相反。可见，PCB布线也是影响寄生电容的原因之一。

3.3 寄生电容的抑制方法

根据实验结果［8］可以得出结论，采取以下措施可抑制寄生电容的产生：1）电容和测量电路尽可能不用接插件连接，或使两者一体化；2）在无法满足1）的情况下，可以将接口一分为二，即增大两电极间的距离，从而降低寄生电容的干扰［9］。

4 结束语

（1）通过实验详细阐述了MS3110P通用电容检测芯片的性能，验证了该芯片具有良好的线性度，可用于MEMS电容阵列传感器的测量。

（2）设计了基于MS3110P芯片的、能分别测量单电容阵列和差分电容阵列的检测系统，提出了能自动匹配模拟开关产生的电荷注入效应的P控制，通过闭环控制实现了高精度测量，很好地解决了电荷注入效应带来的电容误差。

（3）探讨了电容检测电路寄生电容的产生原因及抑制方法，为设计电容传感器电路提供了参考。

（4）实验结果表明，该电容阵列检测系统具有一定的测量精度和较高的灵敏度，能满足MEMS传感器微电容整列的测量要求。

［1］ 邱桂苹，于晓洋，陈德运.微小电容测量电路［J］.黑龙江电力，2006（5）：362-366.

［2］ 佘生能，孙士平.电容传感器新型电容测量电路设计［J］.中国测试技术，2005（5）：42-43.

［4］ 李文涛，李少帅，李忠虎，等.基于MS3110的微小电容读取电路设计［J］.微型机与应用，2012（8）：22-24.

［5］ BAZAZ S A, KHAN F, SHAKOOR R I. Design, Simulation and Testing of Electrostatic SOI MUMPs Based Microgripper Integrated with Capacitive Contact Sensor［J］. Sensors and Actuators A: Physical, 2011, 167（1）: 44-53.

［6］ 白国花，马铁华.电容传感器微弱电容测量电路中CPLD的应用［J］.计量与测试技术，2005（2）：14-16.

［7］ 王爱玲，房亚民.电容传感器寄生电容干扰的产生原因及消除方法［J］.华北科技学院学报, 2005（1）： 93-95.

［8］ 古铖.新型压力传感器件及基于薄膜晶体管集成的研究［D］.上海：上海交通大学，2013.

［9］ 房慧敏，朱伯申，李东光.基于开关电容技术的一种电容式传感器测量电路［J］.电测与仪表,2005（2）: 24-27.

【责任编辑 梅欣丽】

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

国家自然科学基金项目（51175001）；安徽省高校省级自然科学研究项目（TSKJ2014B12）

葛维冬（1989-），男，浙江临海人，硕士研究生，研究方向：机器人机构与控制。