車用電容傳感器的新契機(jī)

車用電容傳感器的新契機(jī)

過去，在汽車?yán)锖苌偈褂秒娙輦鞲衅鳎驗(yàn)樗鼈儾缓每刂?，難以讀取數(shù)據(jù)，容易老化，并且依賴于溫度。然而，其低廉的生產(chǎn)成本、簡(jiǎn)單的外形適應(yīng)性及低功耗特性都是吸引用戶的屬性。一種新的電容測(cè)量技術(shù)的興起，使得車用電容傳感器的數(shù)量急劇上升。

問題的提出：
宏觀上說，電容傳感器通常通過將電容轉(zhuǎn)換成其它物理量，例如電壓、時(shí)間或頻率進(jìn)行分析。微觀上說，電容傳感器應(yīng)用于汽車已經(jīng)很長時(shí)間了；微機(jī)電（MEMS）加速度傳感器就是基于電容傳感器原理。這些傳感器通常用于檢測(cè)電荷的轉(zhuǎn)移。ADI公司現(xiàn)已開發(fā)出一種新的檢測(cè)電容的方法，它采用了改進(jìn)的Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）的輸入級(jí)檢測(cè)未知的電容并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，稱其為電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器或CDC。本文首先解釋一下CDC轉(zhuǎn)換方法，接著介紹幾種可在汽車中使用的電容傳感器的工作原理，最后，簡(jiǎn)要介紹一下交替轉(zhuǎn)換方法。

電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）：
為了直觀描述CDC轉(zhuǎn)換方法，我們必須先著重介紹一下Σ-Δ ADC的工作原理。圖1示出了一個(gè)簡(jiǎn)化原理圖。

圖1：Σ-ΔADC原理圖

為了清楚地了解Σ-ΔADC的工作原理，我們首先考察積分器的輸入端，它必須對(duì)長時(shí)間積分保持為零。它對(duì)短時(shí)間的跳變應(yīng)將其轉(zhuǎn)化成斜坡。當(dāng)參考支路的輸出幅度變化到與輸入支路的幅度相同時(shí)其積分平均值為零，接著用比較器的輸出對(duì)它起作用。當(dāng)將參考支路切換到后續(xù)電容時(shí)，比較器輸出為邏輯“1”。電容充電后對(duì)積分器反相積分，以便對(duì)積分器施加負(fù)參考電壓。因此當(dāng)輸入端施加高電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的邏輯“1”，同樣頻繁地施加正（負(fù)）參考電壓。由后面的數(shù)字濾波器轉(zhuǎn)換的由“1”組成的數(shù)據(jù)流生成數(shù)字量。標(biāo)準(zhǔn)的Σ-ΔADC將未知電壓與已知電壓進(jìn)行比較，通常與兩個(gè)已知的（通常是相等的）電容器進(jìn)行比較。因此實(shí)際上比較的是電荷。如果兩個(gè)電壓都已知（在本例中使用的是相等的電壓），那么可以用公式Q=C×U比較電容。另外，還必須對(duì)輸入支路施加一個(gè)同步的電壓信號(hào)，如圖2所示的原理圖。

圖2：電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器

電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器有許多優(yōu)點(diǎn)。由于它與Σ-ΔADC有密切的聯(lián)系，所以可以采用和修改Σ-ΔADC具有的一些眾所周知的特性。這些特性包括很高的噪聲抑制能力、在極低頻率下具有高分辨率、高精度低成本以及抗電磁干擾等外部影響的魯棒性。Σ-ΔADC幾乎毫無例外地具有類似的輸入結(jié)構(gòu)，以便對(duì)具體的測(cè)量任務(wù)采用各種不同的結(jié)構(gòu)，例如特別低的電流輸入、最大精度或較高的截止頻率。進(jìn)一步考察圖2我們會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的優(yōu)點(diǎn)。在初始的測(cè)量值中寄生電容不起作用。寄生電容在節(jié)點(diǎn)A處趨近于0，具有零電位。在節(jié)點(diǎn)B處不為0，但是向它提供一個(gè)確定的低阻電位，因此該節(jié)點(diǎn)的寄生電容會(huì)充電到平均值而不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B之間的寄生電容總是與測(cè)量元件并聯(lián)，并且總是作為失調(diào)電壓出現(xiàn)。

AD7745是首款CDC，它提供24 bit分辨率和16 bit精度。它具有大約50 aF分辨率和2 fF （經(jīng)過校準(zhǔn)的）精度。參考電容具有嚴(yán)格規(guī)定的溫度系數(shù)，因此可將其用作內(nèi)置溫度傳感器既可用于提高測(cè)量精度，也可用作參考電容。

電容器的容量根據(jù)其結(jié)構(gòu)按照公式C = εoεrA/d計(jì)算，其中εo是真空中的介電常數(shù)，εr是介質(zhì)中的介電常數(shù)，A是極板的有效面積，d是兩個(gè)電極之間的距離。除了幾個(gè)例外如壓力傳感器等，所有的電容傳感器都使用平板表面或電介質(zhì)的變化測(cè)量電容器的變化。大多數(shù)傳感器可被歸為兩類：根據(jù)極板面積（幾何尺寸）的變化（例如液位傳感器或位移傳感器）和根據(jù)εr的變化（例如接近傳感器或濕度傳感器）。

電介質(zhì)傳感器：
傳統(tǒng)的電介質(zhì)傳感器的實(shí)例是采用對(duì)濕度敏感的聚合層作為介質(zhì)的濕度傳感器。隨著濕度的增加，水分子堆積得越來越多，因此εr增大。測(cè)定液體（例如油或燃料）純度的傳感器實(shí)質(zhì)上是由兩個(gè)固定的平板構(gòu)成的，液體本身構(gòu)成電介質(zhì)。所需液體的性質(zhì)主要由經(jīng)驗(yàn)決定（例如油或燃料中增加的水份含量）。溫度在其中起著決定性作用，所以決定必須可靠。簡(jiǎn)單的接近傳感器，它決定著介質(zhì)的變換，通常要求最復(fù)雜的測(cè)量電子電路。

圖3：接近傳感器

在大多數(shù)情況下，接近傳感器由印刷電路板上兩個(gè)導(dǎo)體組成，兩導(dǎo)體之間的電介質(zhì)值具有很低的介電常數(shù)（接近1）。如果有一個(gè)物體，例如人手，接近電容器的電場(chǎng)移動(dòng)，電容就會(huì)改變。人體的水分含量超過90%，因此介電常數(shù)很高（約為50）。無觸點(diǎn)開關(guān)的制造十分簡(jiǎn)單，因此用于電子窗口的無鑰匙進(jìn)入和箝位保護(hù)等應(yīng)用。無鑰匙汽車的核心要求是電流輸入盡可能最低——標(biāo)準(zhǔn)值低于100 μA。Σ-ΔADC在業(yè)界已經(jīng)優(yōu)化很多年了，因此可提供合理的體系結(jié)構(gòu)。用同樣的方法可實(shí)現(xiàn)雨量傳感器，這些傳感器容易生產(chǎn)，成本很低而且具有尺寸小的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的基于水滴的光折射的雨量傳感器必須非常小，從而減小了占用擋風(fēng)玻璃上的面積，同時(shí)導(dǎo)致了雨量小時(shí)可重復(fù)的問題。

幾何尺寸傳感器：
根據(jù)幾何尺寸變化的傳感器實(shí)例是壓力傳感器、液位傳感器和位移傳感器——只是簡(jiǎn)單地在兩塊固定的極板之間改變電介質(zhì)。壓力傳感器使用兩塊固定大小的板作為膜片；由于膜片有彈性，壓力作用在傳感器上時(shí)兩板之間的距離會(huì)改變。

圖4：壓力傳感器

需要一個(gè)溫度傳感器是由于熱膨脹引起的幾何尺寸改變。設(shè)想兩個(gè)電電極中的一個(gè)電極連接到芯片上，另一個(gè)連在金屬或陶瓷結(jié)構(gòu)的外殼上，因此外殼自身起到傳感器的作用。例如，陶瓷外殼，陶瓷能承受很大的壓力和侵蝕性媒體。與傳統(tǒng)的惠斯通電橋相比，電容壓力傳感器的主要優(yōu)勢(shì)在于其低輸入電流，從而使其特別適合于輪胎氣壓控制等應(yīng)用。

在液位傳感器中，測(cè)量浸入在液體中一對(duì)固定的平板。制造商可以用極低價(jià)格的印刷導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)。另一對(duì)平板放置在底部，從而允許檢測(cè)介質(zhì)因溫度或其它因素產(chǎn)生的改變，如圖5所示。

圖5：液位傳感器

在所有方法中，Σ-ΔADC經(jīng)過證明是最受歡迎的。在許多情況下，總是能用數(shù)字濾波器能實(shí)現(xiàn)要求的動(dòng)態(tài)行為。例如，液位傳感器要求極長時(shí)間的恒定，而接近傳感器必須適應(yīng)周圍環(huán)境的變化（如雨雪中使用的濕度傳感器）。

交替轉(zhuǎn)換方法：
我們簡(jiǎn)要地討論一下交替轉(zhuǎn)換方法。這種工作方式按照一種完全不同，甚至比較復(fù)雜的方法。另一方面，這種方法可用于測(cè)量復(fù)數(shù)阻抗包括，感抗、阻抗和容抗，或者阻性性和感性傳感器。這種情況下，用一非常精密的已知頻率激勵(lì)傳感器。ADI公司為此使用了直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDC）。用快速ADC和快速傅立葉分析方法記錄傳感器的響應(yīng)。用DDS方法可精確地知道任何時(shí)間原始相位位置。按照同樣的方法，可以測(cè)量出對(duì)其它頻率的響應(yīng)。由此可以計(jì)算出阻抗的實(shí)部和虛部，并在數(shù)據(jù)總線上輸出。一次完整的掃描只需幾百毫秒（ms）。圖6示出了這種方法。

圖6：AD5933工作框圖

ADI公司將這種電路稱為網(wǎng)絡(luò)分析器。除了電容傳感器和電感傳感器，適當(dāng)?shù)膫鞲衅鬟€能記錄待測(cè)液體中粘度的變化（例如機(jī)油或潤滑油）。

總結(jié)：
電容傳感器正在汽車行業(yè)中復(fù)蘇。一種新的方法已展示了濕度傳感器、雨量傳感器和接近傳感器的初步成功。采用的Σ-ΔADC技術(shù)能夠提供靈活的解決方案以滿足不同的動(dòng)態(tài)和精度的要求，并且能夠使傳感器系統(tǒng)滿足極低的功耗需求。電容傳感器已經(jīng)用于多種應(yīng)用，并且ADI公司正在開發(fā)適應(yīng)輪胎壓力傳感器和無鑰匙汽車解決方案。隨后我們將開發(fā)交替解決方案。