单电容与差分电容式MEMS传感器：原理与应用优势

传感技术中的单电容式及差分电容式MEMS传感器检测系统是现代电子设备中广泛应用的一种非接触式传感器，它基于电容感应原理进行工作。电容式传感器主要分为单电容式和差分电容式两种类型。 1. **单电容式传感器**： - 单电容传感器由两个固定极板（静极板）和一个可移动极板（动极板）组成。当被测量对象（如位移或压力）引起动极板与静极板间距离变化时，极板之间的电容C随之改变。电容器的电容量由公式C = εr * ε0 * A / d给出，其中A为极板面积，d为极板间距，εr和ε0分别为相对介电常数和真空介电常数。为了获得线性输出，传感器通常设计成当Δd远小于初始间隙d0时，电容变化近似线性。 2. **灵敏度与非线性误差**： - 单电容传感器的灵敏度可以通过(3)式表示，即K = 1 / d0，这意味着电容值的微小变化与极板间距的微小变化成反比。然而，减小初始间隙d0虽然能提高灵敏度，但会导致电容器的击穿电压降低和非线性误差增大。 3. **差分电容式传感器**： - 差分电容传感器采用两个相同的电容器C1和C2，它们分别与被测对象的移动极板相连，形成差动结构。当动极板移动时，C1和C2的电容会分别改变，通过比较两者的差异，可以显著减小非线性误差。对于小的相对移动Dd（Dd / d0 << 1），线性关系得以保持，灵敏度提升到K = 2 / d0，相对非线性误差减小至原单电容传感器的1/10。 4. **优点与应用**： - 采用差分电容传感器，除了提高灵敏度和精度外，还能有效抑制环境因素的影响，因为差动结构可以抵消部分外部干扰。这种传感器广泛应用于各种领域，如工业自动化、生物医学测量、航空航天等，尤其是在需要高精度和低噪声的应用中。 单电容式和差分电容式MEMS传感器是通过利用电容随极板间距离变化的特性实现非接触式检测，通过优化设计和结构，能够提供高度精确和线性的测量结果，尤其在现代高科技设备中扮演着重要角色。