电容式压力传感器的原理及分析

作者：张弘毅

来源：《中国新通信》 2018年第9期

【摘要】 随着智能电子设备的普及和不断发展，智能传感技术也不断改善、日趋先进，其中压力传感器的作用不可替代。本文以目前最为普遍的电容式压力传感器为例，分析了感应和测量压强信号的原理。通过建立电容极片的板壳受力模型和力敏感电容的检测电路，给出了电压和压强的关系曲线，分析结果表明，在测量量程范围以内，二者近似满足线性关系。该工作将对电容式压力传感器的设计提供指导意义。

【关键词】 电容式压力传感器 受力分析 检测电路 电压- 压强关系

一、概述

压力感应技术在医学诊疗、生物监测、重大工程及精密仪器设计等领域起着愈来愈突出的作用。传感器作为一种检测装置，可以感受工作环境的信息，并将其转换为可以定量读取的电信号或其他所需形式的信号，进而测量所需要的信息。简单来说，传感器是电子测量器械的感官工具，一般常见的感知元件有热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等多种类型。本文所讨论的力传感器是一种非常常见的力敏元件，其种类繁多，可分为压阻式力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、蓝宝石压力传感器、压电式压力传感器等。电容式压力传感器是一种特殊的压力传感器，它利用电容敏感元件获取压力信息进而输出与压力成一一对应关系的电信号，其特点是动态响应高，灵敏度高[1,2]。

本文将通过物理建模的方法对电容式压力传感器的原理进行讨论，并建立相应的检测电路实现该传感器的设计，进行深入的分析。

二、电容式压力传感器的原理及建模

图1 电容式压力传感器的基本构成示意图

下面给出电容式压力传感器的原理简化模型[3]。如下图所示，构成压力传感器的电容由两个圆形电极板组成，其中一端电极被固定，保持形状不变，另一端电极是一层圆形板状的膜片，两电极之间有环形的刚性绝缘体隔绝，构成一个柱形的密闭的气腔，腔内的压强为一个标准大气压，不计膜片的初始变形。当该传感器置于某一待测压强环境中时，由于内外存在压强差（若不存在压强差，则测得工作环境压强正是一个标准大气压），导致膜片受到垂直于膜片且均匀分布的载荷作用，进而发生变形。由于变形导致电容两极片之间的间距发生变化，所以电

容量也将发生变化。电容式压力传感器的基本原理是：1，传感器的灵敏电极感受到内外压强差；2，压强差引起电极膜片变形；3，电极膜片的变形引起电容变化，电容的变化和压力的大小呈一一对应关系，从而通过测量电容达到测量压力的目的。

为了给出定量的关系，这里假设膜片厚度为h，膜片的半径r0，两板的间距为d，内外压强差为p。假设膜片发生小挠度变形，即膜片弯曲的挠度w（取向内弯曲为正）远小于厚度h，一般有。根据固支边界圆平板的小挠度公式[4]，可知膜片上距离圆心r 处的挠度w 为

综上，我们建立了该电容式压力传感器的物理基本模型。

电容式压力传感器的检测电路及数值分析为了得到电容量与电压信号的关系，设计如下图2 所示

的检测电路。

总结：综合全文所述，本文通过建立了电容式压力传感器的物理模型，并设计了力灵敏电容的检测电路，给出了一般电容式压力传感器的测量电压与待测压强之间的关系，通过数值分析验证了在该传感器量程范围内电压与压强满足较好的线性关系，该结果将对工程实践中的力传感器设计具有一定的指导意义。当然，本文的讨论仍存在一些局限性，如在对膜片的受力分析中，只考虑了小挠度的情况，对于大变形的情况，公式（1）将不再适用，基于本文的思路，依然可以建立大变形情况下的电压与压强之间的关系，值得进一步进行研究。

参 考 文 献

[1] 张鑫, 郭清南, 李学磊. 压力传感器研究现状及发展趋势[J]. 电机电器技术, 2004 (4): 28-29.

[2] 郭冰, 王冲. 压力传感器的现状与发展[J]. 中国仪器仪表, 2009, 5.

[3] 李利华, 高晓清, 潘传芳, and 艾志伟, \" 电容应变式压力传感器原理及检测电路设计,\" 物理实验, vol. 22, no. 5, pp. 10-12, 2002.

[4] 黄克智 等. 板壳理论[M]. 清华大学出版社, 1987.