低功耗平面電容傳感器介電測量系統設計*

沈 超， 黃云志， 劉福臨

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

平面電容傳感器驅動電極和感應電極在同一平面，具有單邊穿透、信號強度可調及層析成像等優點[1]，廣泛應用于樣本物理特性的介電測量。德國德累斯頓工業大學Thiele S等人[2]研制了基于交流電容法介電測量系統，獲得輸出電壓與被測物介電常數的對數關系，但硬件成本高，功耗大。巴西隆德里納州立大學Mizuguchi J等人[3]設計了土壤含水率測量系統，系統電路復雜，成本和功耗均較高，且測量結果易受電荷注入效應的影響。東北大學劉卓等人[4]設計電容式水分測量儀，電路復雜，且驅動和相敏解調模塊功耗較大。南京航空航天大學劉海青等人[5]設計了用于圍護結構含水率檢測系統，電路復雜，且易受分布電容和電荷注入效應的影響，抗干擾能力較差。

近年來，隨著現場測試需求的增多，手持式設備越來越受到青睞，對系統功耗、可靠性也提出較高的要求。本文以MSP430單片機為主控芯片，設計了一種低功耗的介電測量系統。

1 平面電容傳感器模型

平面電容傳感器由驅動電極、感應電極、基板和背板組成。給傳感器驅動電極施加一定頻率的正弦激勵信號，感應電極會輸出同頻率的感應信號。同時，驅動與感應之間會形成電場，將被測樣本放置于該電場中會使電場發生改變，從而改變兩電極間的電容值。矩形叉指傳感器的敏感場分布均勻性最好[6]，叉指型平面電容傳感器如圖1所示。傳感器的結構參數包括波長λ、電極寬度w、電極間距g、電極對數N等，性能取決于信號強度、靈敏度和穿透深度。

平面電容傳感器的輸入阻抗較高，輸出信號微弱，易受寄生電容的影響，設計測量系統需充分考慮輸出信號特點，提高系統抗干擾能力。

圖1 平面電容傳感器模型

2 測量系統總體設計

根據平面電容傳感器的工作原理，測量系統需要實現驅動信號的產生、感應信號的采集與處理、介電常數的計算等功能，同時滿足低功耗特性要求。以低功耗單片機MSP430F6459為核心，設計了電容測量模塊、人機交互模塊、RS—232串口通信模塊以及電源管理模塊等。系統框圖如圖2所示，基于AD7745的電容測量模塊可實現驅動信號的產生、感應信號的采集與轉換的功能。電容測量模塊中的電容量程擴展電路可用于擴大AD7745的動態范圍。人機交互模塊實現參數設置和結果顯示，RS—232串口通信實現單片機與上位機的通信。采用鋰電池供電，芯片電壓等級均為單電源+3.3 V。

圖2 低功耗介電測量系統框圖

3 硬件電路設計

3.1 電容值測量模塊

電容值測量模塊由電容/數字轉換電路和電容動態擴展電路組成。AD7745能實現32 kHz驅動信號的產生、電容值到數字信號的直接轉換等功能，可避免過多分立元件帶來的電路復雜、噪聲引入、功耗大等問題。當系統中存在的寄生電容值小于60 pF時，芯片測量誤差小于1 fF；當寄生電容值達到300 pF時，測量誤差小于14 fF。此外，通過屏蔽電纜和SMA接口將電容傳感器的驅動電極與感應電極連接至測量電路的CIN和OUT端口，進一步增強系統抗干擾能力。AD7745可實現+3.3 V單電源供電，供電電流僅需0.7 mA，具備低功耗的特性。

考慮到AD7745的動態范圍僅為±4 pF，介電常數的測量范圍受到限制。通過設計電容量程擴展電路增大量程范圍。選擇ADI公司的低功耗、低偏置電流運放AD8515作為核心器件。AD7745的兩個驅動引腳EXCA和EXCB分別連接電阻器R1和R2，通過設置其阻值可實現量程的擴展。擴展倍數F表示為

(1)

將動態范圍的擴展倍數設置為5倍，動態范圍將擴大為±20 pF。電容值測量模塊如圖3所示。

圖3 電容測量模塊電路

3.2 電源管理模塊

電源管理模塊實現系統供電和電池電量監測的功能。為增強系統便攜性和安全性，選擇小體積的3.7 V鋰電池供電。通過兩片低壓差線性穩壓器(low clropout regulator,LDO)分別獲得模擬與數字+3.3 V。LDO最大可輸出50 mA的驅動電流，50 mA電流輸出時典型壓降僅為48 mV，靜態電流為17 μA，非常適合低功耗、便攜式設備應用。此外，為了能夠實時地監測電池電量，防止在測量過程中由于電量過低導致系統斷電，設計了電量監測電路。電源管理模塊框圖如圖4所示。

圖4 電源管理模塊框圖

4 軟件設計

系統軟件采用模塊化設計，主要包括：初始化、信號采集與轉換、中斷模塊、計算模塊、人機交互等。

系統上電后，首先對系統和外部器件作初始化處理，啟動系統測量后，AD7745開始采集傳感器輸出信號并轉換，設置單片機P1口通過中斷模式讀取轉換數據。為降低系統功耗，讀取過程在低功耗模式3下進行，此時，除ACLK用作I2C串口通信的時鐘外，其他時鐘源及CPU均關閉。此模式下，單片機的供電電流僅為1.6 μA。連續完成15次信號采集與轉換后，對數據進行平均濾波后計算介電常數，最終輸出顯示。

5 傳感器結構參數設計及介電常數計算

以復合材料為樣本，利用Maxwell三維仿真模型分析傳感器結構參數與性能指標的關系。假設傳感器感應面積一定(20 mm×20 mm)，仿真分析不同電極對數(N)、電極寬度與間距比(w/g)對信號強度(C)、穿透深度(P)的影響。結果表明：電極對數越多，信號強度越大，但穿透深度越小；電極寬度與電極間距比越大，信號強度越大，但穿透深度基本無影響[7]。擬合出信號強度與N,w/g之間的關系為

(3)

不同w/g下系數如表1所示。

表1 擬合系數

被測復合材料厚度為0.5 mm，介電常數變化范圍為1～3.9，系統最小測量電容值為4 pF。由上述傳感器結構參數與性能指標的結論可知，電極對數不能過多，否則，穿透深度將小于被測復合材料厚度；也不能過少，會降低信號強度和靈敏度等性能指標；w/g的選取也應該適中，過小同樣影響信號強度和靈敏度，過大則使得電極間距非常小，增大了實際制作傳感器的工藝難度，同時也提高了制作成本。綜上，根據信號強度及穿透深度，感應面積20 mm×20 mm條件下，選擇電容傳感器參數：電極對數為10，電極寬度為0.4 mm，電極間距為0.6 mm，電極厚度為0.018 mm，基板材料設為FR4，厚度為1.5 mm，仿真收斂誤差為3 %。根據以上傳感器參數，利用Maxwell三維仿真軟件獲得30組介電常數測量數據，采用最小二乘法擬合電容值和介電常數的關系為

ε=0.611 6C-3.049

(3)

利用式(3)對復合材料介電常數進行測量，其測量誤差小于3 %。

6 測量實驗

按照仿真模型中傳感器的參數，研制了PCB型叉指傳感器，并構建了介電測量系統。標定的系統重復性為0.050 3。將系統用于材料檢測實驗：選用FR4板材做探傷實驗，板材厚度為1 mm，損傷面積為5 mm×15 mm。正弦驅動信號的頻率為32 kHz，實驗結果如圖5所示。結果表明系統能夠明顯地區分正常與損傷的材料。

分別對FR4,RO3003和RO4350 3種復合材料進行介電常數檢測。結果如表2所示。

手冊中給出10 GHz下的RO3003和RO4350的介電常數標稱值分別為3.00和3.48，在1 MHz下FR4板材的介電常數標稱值為4.2。介電常數隨頻率的增大而下降，并逐漸趨于穩定。系統的測量值符合介電常數變化規律。

圖5 板材損傷檢測

板材測量1測量2測量3測量4測量5平均值RO30033.053.043.033.033.033.04RO43503.513.503.493.493.493.50FR44.364.364.364.364.364.36

測量系統在工作中消耗電流為9 mA，功耗為33.3 mW，用3.7 V，2 000 mA·h鋰電池供電，系統可以正常工作10天，達到低功耗的要求。與文獻[2]相比，功耗僅相當于系統中對數放大器的功耗；與文獻[4]相比，功耗至少降低了97 %。

7 結 論

本文基于MSP4306459單片機研制了低功耗介電測量系統。實驗表明:在32 kHz的驅動頻率下，系統能夠檢測出FR4板材的損傷；有效實現不同型號復合材料介電常數的測量，且系統重復性好、功耗低，具有較好的應用前景。