极微小电容的检测技术研究

	极微小电容的检测技术研究
	冯佳
学位类型	硕士
导师	隋永新
	2014-11
学位授予单位	中国科学院大学
学位专业	电路与系统
关键词	电容传感器电容检测交流激励式电容桥开关检波
摘要	电容测微技术具有低功耗、高精度、动态性能好、稳定性高和非接触测量等特点，广泛应用于位移、液位、压力等参数的测量。随着超精密制造及现代工业生产的发展对检测精度要求越来越高，在微位移测量领域检测精度已达到纳米量级，纳米级位移变化对应的电容变化在fF量级，寄生电容干扰在pF量级，在如此大背景噪声下实现弱信号检测是提高电容测微精度亟需解决的基础性问题。针对以上问题，本论文首先对四种电容测量方法原理及优缺点进行调研，最终选择了交流激励式作为本课题采用的电容测量方法。交流激励式电容测量系统主要包括前级电路、信号发生单元和信号解调单元，对各单元传统实现方式进行分析和优化，在此基础上完成系统设计。本论文完成的主要工作如下： 1、电容位移传感器电容测量电路指标分析及系统输入确定对衡量电容测量系统性能的噪声、分辨率、带宽等指标从定义、原理及测量方法等方面进行阐述与分析。电容变化范围是设计电容测量系统的输入，采用电磁仿真软件CST建立了电容传感器模型，通过仿真确定了系统输入范围。 2、极微小电容测量系统设计前级电路用以实现C-V(电容-电压)转换，其性能对系统分辨率起着决定性的作用。在前人研究基础上本文提出了一种新的电容桥电路，该电容桥包括测量臂和参考臂，测量臂测得的电容传感器电压通过1:1放大器引到参考臂，将参考臂输出电压乘以合适的倍数反馈到激励源，这样可以提高系统抗干扰能力并且增大前级电路输出电压变化范围。前人采用的桥式电路由两个激励源，一个参考电容和电容传感器组成，通过调节激励源电压使桥电路达到平衡此时电容传感器电容与参考电容比值等于两个激励源电压之比，通过比例关系可以得到电容传感器电容值。与桥式电路相比，电容桥电路具有结构简单、动态性好、抗干扰能力强和测量精度高等特点。信号发生单元采用ADI公司高精度性能优良的DDS芯片实现。信号解调单元包括检波电路和低通滤波器，检波电路采用开关全波检波，低通滤波器采用FDNR滤波器。在上述方案基础上完成极微小电容检测系统设计，并且搭建实验平台，对所设计系统进行相关实验测试，测试结果表明：该系统在150~650um量程范围内可以实现30nm分辨率，示值稳定性0.1mV/30min。
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/44650
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	冯佳. 极微小电容的检测技术研究[D]. 中国科学院大学,2014.

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