車用電容傳感器的新契機

　　過去，在汽車里很少使用電容傳感器，因為它們不好控制，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、簡單的外形適應(yīng)性及低功耗特性都是有利于其應(yīng)用吸引人的屬性。一種新的電容測量技術(shù)的興起，使得車用電容傳感器的數(shù)量急劇上升。

　　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、時間或頻率進行分析。微觀上說，電容傳感器應(yīng)用于汽車已經(jīng)很長時間了；微電子機械(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電荷的轉(zhuǎn)移。美國模擬器件公司(ADI)現(xiàn)已開發(fā)出一種新的檢測電容的方法，它采用了改進的S-D模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入級檢測未知的電容并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。ADI公司稱其為電容數(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，簡要介紹一下交替轉(zhuǎn)換方法。


 圖1  電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器

　　電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)

　　電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器有許多優(yōu)點。由于它與S-D ADC有密切的聯(lián)系，所以可以采用和修改S-D ADC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。S-D ADC幾乎毫無例外地具有類似的輸入結(jié)構(gòu)，以便對具體的測量任務(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。進一步考察圖1我們會發(fā)現(xiàn)更多的優(yōu)點。在初始的測量值中寄生電容不起作用。寄生電容在節(jié)點A處趨近于0，具有零電位。在節(jié)點B處不為0，但是向它提供一個確定的低阻電位，因此該節(jié)點的寄生電容會充電到平均值而不會影響測量結(jié)果。從節(jié)點A到節(jié)點B之間的寄生電容總是與測量元件并聯(lián)，并且總是作為失調(diào)電壓出現(xiàn)。

　　AD7745是首款CDC，它提供24bit分辨率和16bit精度。它具有大約50aF分辨率和2 fF(經(jīng)過校準的)精度。參考電容具有嚴格規(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量精度，也可用作參考電容。

　　電容傳感器

　　以前的電容分析系統(tǒng)要求很高的測量電容，并且當觸摸時具有大的電容量變化。這種對于具有足夠大變化的要求對應(yīng)傳感器制造商常常產(chǎn)生問題，而對應(yīng)小的電容傳感器則不應(yīng)存在問題。例如，典型的150 pF濕度傳感器不僅昂貴許多(因為它們尺寸變大)，而且更容易產(chǎn)生錯誤，而且長期穩(wěn)定性也降低了。

　　電容器的容量根據(jù)其結(jié)構(gòu)按照公式C=eoerA/d計算，其中eo是真空中的介電常數(shù)，er是介質(zhì)中的介電常數(shù)，A是極板的有效面積，d是兩個電極之間的距離。除了幾個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)er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)傳感器的實例是采用對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er增大。測定液體(例如油或燃料)純度的傳感器實質(zhì)上是由兩個固定的平板構(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)雜的測量電子電路。

　　在大多數(shù)情況下，接近傳感器由印刷電路板上兩個導(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)。如果有一個物體，例如人手，接近電容器的電場移動，電容就會改變。人體的水分含量超過90%，因此介電常數(shù)很高(約為50)。無觸點開關(guān)的制造十分簡單，因此用于電子窗口的無鑰匙進入和箝位保護等應(yīng)用。無鑰匙汽車的核心要求是電流輸入盡可能最低——標準值低于100mA。S-D ADC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缺點。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玻璃上的面積，同時導(dǎo)致了雨量小時可重復(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例是壓力傳感器、液位傳感器和位移傳感器——只是簡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兩板之間的距離會改變。

　　需要一個溫度傳感器是由于熱膨脹引起的幾何尺寸改變。設(shè)想兩個電極中的一個電極連接到芯片上，另一個連在金屬或陶瓷結(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介質(zhì)。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，測量浸入在液體中一對固定的平板。制造商可以用極低價格的印刷導(dǎo)線實現(xiàn)。另一對平板放置在底部，從而允許檢測介質(zhì)因溫度或其它因素產(chǎn)生改變，如圖4所示。

　　在所有方法中，S-D ADC經(jīng)過證明是最受歡迎的。在許多情況下，總是能用數(shù)字濾波器能實現(xiàn)要求的動態(tài)行為。例如，液位傳感器要求極長時間的恒定，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，這種方法可用于測量復(fù)數(shù)阻抗包，包括感抗、阻抗和容抗，或者阻性和感性傳感器。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間原始相位位置。按照同樣的方法，可以測量出對其它頻率的響應(yīng)。由此可以計算出阻抗的實部和虛部，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5  示出了這種方法。

　　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?shù)膫鞲衅鬟€能記錄待測液體中粘度的變化(例如機油或潤滑油)。


圖2  接近傳感器


圖3  壓力傳感器


 圖4  液位傳感器


圖5  AD5933工作框圖

　　結(jié)語
　　
　　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。