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，難以讀取數據，容易老化，并且依賴于溫度。然而，其低廉的生產成本、簡單的外形適應性及低功耗特性都是吸引用戶的屬性。一種新的電容測量技術的興起，使得車用電容傳感器的數量急劇上升。

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，電容傳感器應用于汽車已經很長時間了；微機電（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電荷的轉移。ADI公司現已開發出一種新的檢測電容的方法，它采用了改進的Σ-Δ模數轉換器（ ADC）的輸入級檢測未知的電容并將其轉換成數字量，稱其為電容數字轉換器或CDC。本文首先解釋一下CDC轉換方法，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換方法。

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

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，它必須對長時間積分保持為零。它對短時間的跳變應將其轉化成斜坡。當參考支路的輸出幅度變化到與輸入支路的幅度相同時其積分平均值為零，接著用比較器的輸出對它起作用。當將參考支路切換到后續電容時，比較器輸出為邏輯“1”。電容充電后對積分器反相積分，以便對積分器施加負參考電壓。因此當輸入端施加高電壓時會產生大量的邏輯“1”，同樣頻繁地施加正（負）參考電壓。由后面的數字濾波器轉換的由“1”組成的數據流生成數字量。標準的Σ-ΔADC將未知電壓與已知電壓進行比較，通常與兩個已知的（通常是相等的）電容器進行比較。因此實際上比較的是電荷。如果兩個電壓都已知（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，還必須對輸入支路施加一個同步的電壓信號，如圖2所示的原理圖。

圖2：電容數字轉換器

電容數字轉換器有許多優點。由于它與Σ-ΔADC有密切的聯系，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構，以便對具體的測量任務采用各種不同的結構，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2我們會發現更多的優點。在初始的測量值中寄生電容不起作用。寄生電容在節點A處趨近于0，具有零電位。在節點B處不為0，但是向它提供一個確定的低阻電位，因此該節點的寄生電容會充電到平均值而不會影響測量結果。從節點A到節點B之間的寄生電容總是與測量元件并聯，并且總是作為失調電壓出現。

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 （經過校準的）精度。參考電容具有嚴格規定的溫度系數，因此可將其用作內置溫度傳感器既可用于提高測量精度，也可用作參考電容。

電容器的容量根據其結構按照公式C = εoεrA/d計算，其中εo是真空中的介電常數，εr是介質中的介電常數，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的變化測量電容器的變化。大多數傳感器可被歸為兩類：根據極板面積（幾何尺寸）的變化（例如液位傳感器或位移傳感器）和根據εr的變化（例如接近傳感器或濕度傳感器）。

電介質傳感器：
傳統的電介質傳感器的實例是采用對濕度敏感的聚合層作為介質的濕度傳感器。隨著濕度的增加，水分子堆積得越來越多，因此εr增大。測定液體（例如油或燃料）純度的傳感器實質上是由兩個固定的平板構成的，液體本身構成電介質。所需液體的性質主要由經驗決定（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，它決定著介質的變換，通常要求最復雜的測量電子電路。

圖3：接近傳感器

在大多數情況下，接近傳感器由印刷電路板上兩個導體組成，兩導體之間的電介質值具有很低的介電常數（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%，因此介電常數很高（約為50）。無觸點開關的制造十分簡單，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100 μA。Σ-ΔADC在業界已經優化很多年了，因此可提供合理的體系結構。用同樣的方法可實現雨量傳感器，這些傳感器容易生產，成本很低而且具有尺寸小的特點，傳統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，同時導致了雨量小時可重復的問題。

幾何尺寸傳感器：
根據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。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。

圖4：壓力傳感器

需要一個溫度傳感器是由于熱膨脹引起的幾何尺寸改變。設想兩個電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構的外殼上，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。與傳統的惠斯通電橋相比，電容壓力傳感器的主要優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線實現。另一對平板放置在底部，從而允許檢測介質因溫度或其它因素產生的改變，如圖5所示。

圖5：液位傳感器

在所有方法中，Σ-ΔADC經過證明是最受歡迎的。在許多情況下，總是能用數字濾波器能實現要求的動態行為。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周圍環境的變化（如雨雪中使用的濕度傳感器）。

交替轉換方法：
我們簡要地討論一下交替轉換方法。這種工作方式按照一種完全不同，甚至比較復雜的方法。另一方面，這種方法可用于測量復數阻抗包括，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傳感器。ADI公司為此使用了直接數字頻率合成技術（DDC）。用快速ADC和快速傅立葉分析方法記錄傳感器的響應。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。由此可以計算出阻抗的實部和虛部，并在數據總線上輸出。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絡分析器。除了電容傳感器和電感傳感器，適當的傳感器還能記錄待測液體中粘度的變化（例如機油或潤滑油）。

總結：
電容傳感器正在汽車行業中復蘇。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技術能夠提供靈活的解決方案以滿足不同的動態和精度的要求，并且能夠使傳感器系統滿足極低的功耗需求。電容傳感器已經用于多種應用，并且ADI公司正在開發適應輪胎壓力傳感器和無鑰匙汽車解決方案。隨后我們將開發交替解決方案。