低功耗平面电容传感器介电测量系统设计*

沈 超， 黄云志， 刘福临

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

平面电容传感器驱动电极和感应电极在同一平面，具有单边穿透、信号强度可调及层析成像等优点[1]，广泛应用于样本物理特性的介电测量。德国德累斯顿工业大学Thiele S等人[2]研制了基于交流电容法介电测量系统，获得输出电压与被测物介电常数的对数关系，但硬件成本高，功耗大。巴西隆德里纳州立大学Mizuguchi J等人[3]设计了土壤含水率测量系统，系统电路复杂，成本和功耗均较高，且测量结果易受电荷注入效应的影响。东北大学刘卓等人[4]设计电容式水分测量仪，电路复杂，且驱动和相敏解调模块功耗较大。南京航空航天大学刘海青等人[5]设计了用于围护结构含水率检测系统，电路复杂，且易受分布电容和电荷注入效应的影响，抗干扰能力较差。

近年来，随着现场测试需求的增多，手持式设备越来越受到青睐，对系统功耗、可靠性也提出较高的要求。本文以MSP430单片机为主控芯片，设计了一种低功耗的介电测量系统。

1 平面电容传感器模型

平面电容传感器由驱动电极、感应电极、基板和背板组成。给传感器驱动电极施加一定频率的正弦激励信号，感应电极会输出同频率的感应信号。同时，驱动与感应之间会形成电场，将被测样本放置于该电场中会使电场发生改变，从而改变两电极间的电容值。矩形叉指传感器的敏感场分布均匀性最好[6]，叉指型平面电容传感器如图1所示。传感器的结构参数包括波长λ、电极宽度w、电极间距g、电极对数N等，性能取决于信号强度、灵敏度和穿透深度。

平面电容传感器的输入阻抗较高，输出信号微弱，易受寄生电容的影响，设计测量系统需充分考虑输出信号特点，提高系统抗干扰能力。

图1 平面电容传感器模型

2 测量系统总体设计

根据平面电容传感器的工作原理，测量系统需要实现驱动信号的产生、感应信号的采集与处理、介电常数的计算等功能，同时满足低功耗特性要求。以低功耗单片机MSP430F6459为核心，设计了电容测量模块、人机交互模块、RS—232串口通信模块以及电源管理模块等。系统框图如图2所示，基于AD7745的电容测量模块可实现驱动信号的产生、感应信号的采集与转换的功能。电容测量模块中的电容量程扩展电路可用于扩大AD7745的动态范围。人机交互模块实现参数设置和结果显示，RS—232串口通信实现单片机与上位机的通信。采用锂电池供电，芯片电压等级均为单电源+3.3 V。

图2 低功耗介电测量系统框图

3 硬件电路设计

3.1 电容值测量模块

电容值测量模块由电容/数字转换电路和电容动态扩展电路组成。AD7745能实现32 kHz驱动信号的产生、电容值到数字信号的直接转换等功能，可避免过多分立元件带来的电路复杂、噪声引入、功耗大等问题。当系统中存在的寄生电容值小于60 pF时，芯片测量误差小于1 fF；当寄生电容值达到300 pF时，测量误差小于14 fF。此外，通过屏蔽电缆和SMA接口将电容传感器的驱动电极与感应电极连接至测量电路的CIN和OUT端口，进一步增强系统抗干扰能力。AD7745可实现+3.3 V单电源供电，供电电流仅需0.7 mA，具备低功耗的特性。

考虑到AD7745的动态范围仅为±4 pF，介电常数的测量范围受到限制。通过设计电容量程扩展电路增大量程范围。选择ADI公司的低功耗、低偏置电流运放AD8515作为核心器件。AD7745的两个驱动引脚EXCA和EXCB分别连接电阻器R1和R2，通过设置其阻值可实现量程的扩展。扩展倍数F表示为

(1)

将动态范围的扩展倍数设置为5倍，动态范围将扩大为±20 pF。电容值测量模块如图3所示。

图3 电容测量模块电路

3.2 电源管理模块

电源管理模块实现系统供电和电池电量监测的功能。为增强系统便携性和安全性，选择小体积的3.7 V锂电池供电。通过两片低压差线性稳压器(low clropout regulator,LDO)分别获得模拟与数字+3.3 V。LDO最大可输出50 mA的驱动电流，50 mA电流输出时典型压降仅为48 mV，静态电流为17 μA，非常适合低功耗、便携式设备应用。此外，为了能够实时地监测电池电量，防止在测量过程中由于电量过低导致系统断电，设计了电量监测电路。电源管理模块框图如图4所示。

图4 电源管理模块框图

4 软件设计

系统软件采用模块化设计，主要包括：初始化、信号采集与转换、中断模块、计算模块、人机交互等。

系统上电后，首先对系统和外部器件作初始化处理，启动系统测量后，AD7745开始采集传感器输出信号并转换，设置单片机P1口通过中断模式读取转换数据。为降低系统功耗，读取过程在低功耗模式3下进行，此时，除ACLK用作I2C串口通信的时钟外，其他时钟源及CPU均关闭。此模式下，单片机的供电电流仅为1.6 μA。连续完成15次信号采集与转换后，对数据进行平均滤波后计算介电常数，最终输出显示。

5 传感器结构参数设计及介电常数计算

以复合材料为样本，利用Maxwell三维仿真模型分析传感器结构参数与性能指标的关系。假设传感器感应面积一定(20 mm×20 mm)，仿真分析不同电极对数(N)、电极宽度与间距比(w/g)对信号强度(C)、穿透深度(P)的影响。结果表明：电极对数越多，信号强度越大，但穿透深度越小；电极宽度与电极间距比越大，信号强度越大，但穿透深度基本无影响[7]。拟合出信号强度与N,w/g之间的关系为

(3)

不同w/g下系数如表1所示。

表1 拟合系数

被测复合材料厚度为0.5 mm，介电常数变化范围为1～3.9，系统最小测量电容值为4 pF。由上述传感器结构参数与性能指标的结论可知，电极对数不能过多，否则，穿透深度将小于被测复合材料厚度；也不能过少，会降低信号强度和灵敏度等性能指标；w/g的选取也应该适中，过小同样影响信号强度和灵敏度，过大则使得电极间距非常小，增大了实际制作传感器的工艺难度，同时也提高了制作成本。综上，根据信号强度及穿透深度，感应面积20 mm×20 mm条件下，选择电容传感器参数：电极对数为10，电极宽度为0.4 mm，电极间距为0.6 mm，电极厚度为0.018 mm，基板材料设为FR4，厚度为1.5 mm，仿真收敛误差为3 %。根据以上传感器参数，利用Maxwell三维仿真软件获得30组介电常数测量数据，采用最小二乘法拟合电容值和介电常数的关系为

ε=0.611 6C-3.049

(3)

利用式(3)对复合材料介电常数进行测量，其测量误差小于3 %。

6 测量实验

按照仿真模型中传感器的参数，研制了PCB型叉指传感器，并构建了介电测量系统。标定的系统重复性为0.050 3。将系统用于材料检测实验：选用FR4板材做探伤实验，板材厚度为1 mm，损伤面积为5 mm×15 mm。正弦驱动信号的频率为32 kHz，实验结果如图5所示。结果表明系统能够明显地区分正常与损伤的材料。

分别对FR4,RO3003和RO4350 3种复合材料进行介电常数检测。结果如表2所示。

手册中给出10 GHz下的RO3003和RO4350的介电常数标称值分别为3.00和3.48，在1 MHz下FR4板材的介电常数标称值为4.2。介电常数随频率的增大而下降，并逐渐趋于稳定。系统的测量值符合介电常数变化规律。

图5 板材损伤检测

板材测量1测量2测量3测量4测量5平均值RO30033.053.043.033.033.033.04RO43503.513.503.493.493.493.50FR44.364.364.364.364.364.36

测量系统在工作中消耗电流为9 mA，功耗为33.3 mW，用3.7 V，2 000 mA·h锂电池供电，系统可以正常工作10天，达到低功耗的要求。与文献[2]相比，功耗仅相当于系统中对数放大器的功耗；与文献[4]相比，功耗至少降低了97 %。

7 结 论

本文基于MSP4306459单片机研制了低功耗介电测量系统。实验表明:在32 kHz的驱动频率下，系统能够检测出FR4板材的损伤；有效实现不同型号复合材料介电常数的测量，且系统重复性好、功耗低，具有较好的应用前景。