一种基于开关电路的微电容差检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电容检测技术领域，具体涉及一种基于开关电路的连续可变分辨率电 容传感器输出电容变化量检测方法.
【背景技术】
[0002] 随着半导体微电子、材料、微机电系统、生物医药等新兴交叉学科的发展及融合， 电容传感器得到了广大科研工作者、工程师的重视和研究，被广泛的应用于化工、医疗和制 造等行业中.
[0003] 电容式传感器具有结构简单、灵敏度高、动态性能良好和不容易受温度变化影响 的优点，可广泛应用于压力、距离和液位等物理量的精密测量中，具有广阔的应用前景.因 此，对电容传感器的输出电容进行精确测量十分重要.
[0004] 然而目前电容测量传感器技术还存在以下两个问题：
[0005] -、随着纳米技术的广泛应用，传统电容式位移传感器向高精度，微小型发展，对 电容的检测要求越来越高.物理量引起的电容变化非常小，而电容本身的本底电容相对而 言非常大.如MEMS电容传感器通常情况下其检测电容在1(T 12F，检测电容的变化范围为10- 15F级.再比如说在三维电容式位移传感器的研究中，本底电容高达20pF，但是变化电容只有 十几 fF.如此微小变化的电容，有用输出信号非常微弱，同时，由于寄生电容的影响，电容传 感器信号往往淹没在外界干扰中，增加了测量难度，且杂散电容和寄生电容会随着电路结 构、环境温度、内外电场等因素而不同，具有很大的不确定性，如何提高测量灵敏度和信噪 比成为微电容式检测的关键.
[0006] 二、现有的微检测技术按集成度可以分为两种，一种是利用分立元件设计的测量 电路.另一种是利用集成芯片设计的测量电路.利用分立元件的检测电路，量程宽，但由于 抗干扰性差，分辨率差，一般只有O.lpF.而利用集成芯片的检测技术，分辨率高达O.lfF，但 是量程不宽，一般只有几 PF.可见，由于传统电容传检测方法本身的设计使得测量的量程与 测量分辨率之间是矛盾的关系，要么牺牲分辨率换取量程、要么牺牲量程换取分辨率，这严 重限制了传统电容检测方法在测量微小电容变化量中的性能.
[0007] 综上所述，现有的微电容检测技术存在两个缺点：
[0008] (1)传统测量方法测量电容的绝对值，本地电容对输出结果有影响；
[0009] (2)传统测量方法量程一旦确定，分辨率不可变.
【发明内容】
[0010] 为解决上述问题，本发明提供了一种基于开关电路的微电容差检测方法，将物理 量直接转换成了电容的变化量，消除了传感器的本底电容对测量的影响，增大了测量范围， 提高了检测灵敏度，实现了对微电容变化量的直接测量.
[0011] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0012] -一种基于开关电路的微电容差检测方法，该开关电路包括可变电压源VI、可变 电压源V2、电子开关S1、电子开关S2、待测电容传感器输出电容、参考电容、放大电路。所述 的电子开关S1-端与可变电压源VI相连，另一端与待测传感器输出电容一端相连，待测传 感器输出电容另一端接地;所述的电子开关S2-端与可变电压源V2相连，另一端与参考电 容一端相连，参考电容另一端接地;所述的电子开关S1和电子开关S2并联后与放大电路一 端相连，放大电路另一端为输出电压.该检测方法包括如下步骤：
[0013] 可变电压源VI通过电子开关S1给待测电容传感器输出电容充放电，可变电压源V2 通过电子开关S2给参考电容充放电，电子开关S1和电子开关S2并联之后为放大电路供电， 当电子开关S1闭合时，电子开关S2断开，当电子开关S2闭合时，电子开关S1断开，通过以下 公式计算充放电一次输出的电荷：
[0014] ViCx-V2Cr
[0015] 在放大电路输出端会产生电压：
[0016]
[0017] 那么每充放电一次，就会在放大电路的输入端积累电荷V(Cx-Cr)，充放电η次，就可 以累积电荷：
[0018] (ViCx-V2CR)n
[0019] 累积电荷再通过放大电路可在放大电路输出端产生电压：
[0020]
[0021] 在静态时，调节可变电压源VI或可变电压源V2使输出为0;动态时，改变待测电容 传感器输出电容Cx，贝lj有输出：
[0022]
[0023] 已知Ck，η，Vi，测量出电压Vqut，通过公式：
[0024]
[0025] 即可计算得出电容变化量，且测量分辨率取决于电容充放电次数η.
[0026] 优选地，所述电子开关S1、电子开关S2采用模拟开关电路构成，具有快速开关、低 的开关电阻的特征.
[0027] 优选地，所述变电压源VI、变电压源V2可采用压控可调增益放大器构成，具有大范 围线性调节特征.
[0028] 优选地，所述放大电路采具有高开环增益、低失调电流、低失调电压的放大电路. [0029]本发明具有以下有益效果：
[0030]实现了将待测电容的绝对值转换成待测电容的变化量，消除了传感器的本底电容 对测量的影响，本发明测量分辨率取决于电容导通次数η，可在不牺牲测量量程的情况可根 据需求改变测量分辨率.
【附图说明】
[0031]图1是本发明实施例的原理不意图；
[0032]图2是本发明实施例的具体实施示意图。
【具体实施方式】
[0033] 为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步 详细说明.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发 明·
[0034] 如图1-2所示，本发明实施例提供了一种基于开关电路的微电容差检测方法，该开 关电路包括可变电压源VI、可变电压源V2、电子开关S1、电子开关S2、待测电容传感器输出 电容、参考电容、放大电路.所述的电子开关S1-端与可变电压源VI相连，另一端与待测传 感器输出电容一端相连，待测传感器输出电容另一端接地;所述的电子开关S2-端与可变 电压源V2相连，另一端与参考电容一端相连，参考电容另一端接地;所述的电子开关S1和电 子开关S2并联后与放大电路一端相连，放大电路另一端为输出电压.该检测方法包括如下 步骤：
[0035]该检测方法包括如下步骤：
[0036] 可变电压源VI通过电子开关S1给待测电容传感