Tema 3: Acondicionamiento de sensores capacitivos. 3.2 Circuitos de acondicionamiento 3.3 Compensación de no idealidades 3.

Transcripción

1 conicionamiento e sensores resistivos y capacitivos 3. ensores apacitivos 3. ircuitos e aconicionamiento 3.3 ompensación e no iealiaes 3.4 Bibliografía conicionamiento e sensores resistivos y capacitivos 3. ensores apacitivos 3. ircuitos e aconicionamiento 3.3 ompensación e no iealiaes 3.4 Bibliografía

2 Los sensores capacitivos permiten la etección irecta e: ivos movimiento, composición química, campo eléctrico, 3. ensore es capacit y la etección inirecta e: presión, aceleración, nivel e un fluio, composición e un fluio 3 entajas: Estructuras simples. 3. ensore es capacit ivos Estabilia y reproucibilia a muy elevaas. e Menor sensibilia a variaciones e temperatura que los piezoresistivos. Resolución muy elevaa. 4

3 Inconvenientes: Efectos e los bores. 3. ensore es capacit ivos NILLO DE GURD 5 Inconvenientes: 3. ensore es capacit ivos Efectos e los bores. La humea puee generar resistencias parásitas en paralelo l con. MPLIFIDOR LOK-IN DE DOBLE FE 6

4 Inconvenientes: ivos 3. ensore es capacit Efectos e los bores. La humea puee generar resistencias parásitas en paralelo l con. coplos capacitivos. 7 onfiguración e placas plano-paralelas 3. ensore es capacit ivos ε rε = onfiguración cilínrica (coaxial) πε ε l = rε ln( r / r ) l >> r 8

5 ariación e la istancia entre placas 3. ensore es capacit ivos ε rε = 9 ariación e la istancia entre placas. Meición e la istancia entre placas: 3. ensore es capacit ivos ε rε = ε rε = x x ε rε = ENIBILIDD NO LINEL x

6 ariación e la istancia entre placas. Meición e la istancia entre placas: 3. ensore es capacit ivos ε = x ε x < ε x ε x = x x + = x ε ε x = ε x + ε ε x ε = x ( ε ) + x ε x ε x x ε ε x ε x ε x ε x ε x x MYOR LINELIDD ariación e la istancia entre placas 3. ensore es capacit ivos. Meición e la variación e la istancia entre placas: ε rε = + x ε rε = = x ( + α) x < x = ( α + 3α α = x...)

7 ariación e la istancia entre placas ivos 3. ensore es capacit 3 ariación e la istancia entre placas 3. ensore es capacit ivos Fuentes e no linealia: Desplazamiento transversal e las placas Inclinación e las placas coplos capacitivos 4

8 ariación ió e la istancia i entre placas 3. ensore es capacit ivos Eliminación e la sensibilia a esplazamientos transversales 5 ariación el área e las placas ε rε = 3. ensore es capacit ivos 6

9 ariación ió el área e las placas es capacitivos 3. ensore Fuentes e no linealia: 3 ariación e la istancia entre placas Inclinación e las placas coplos capacitivos 7 ariación e la constante ieléctrica 3. ensore es capacitivos ε rε = 8

10 ariación e la constante ieléctrica 3. ensore es capacit ivos Meir la humea. nálisis químico e mezclas binarias e fluios no conuctores con constante ieléctrica muy istinta. Meir temperatura. Meir nivel e líquios. 9 ariación e la constante ieléctrica 3. ensore es capacitivos ε rε = Meición el nivel e un líquio

11 ensores basaos en capacitores coaxiales 3. ensore es capacitivos x πε ε l = rε Meición el esplazamiento ln( r / r ) Meición el nivel e un líquio meiante capacitores coaxiales líquio conuctor líquio no conuctor 3. ensore es capacit ivos líquio-aislante-electroo recipiente-líquio-electroo

12 Matrices e sensores capacitivos sensor e huellas actilares 3. ensore es capacit ivos 3 Matrices e sensores capacitivos ivos sensor e huellas actilares 3. ensore es capacit 4

13 ensor capacitivo iferencial 3. ensore es capacitivos = ε + x = ε x = + = + + x = x = = x 5 3. ensore es capacitivos Exactitu. mplio rango e meición. 6

14 conicionamiento e sensores resistivos y capacitivos 3. ensores apacitivos 3. ircuitos e aconicionamiento 3.3 ompensación e no iealiaes 3.4 Bibliografía 7 ircuito oscilaor 3. ir rcuitos e aconicionamiento No hay manera e evitar el efecto e la capacitancia parásita. La estabilia y el coeficiente e temperatura e la resistencia pueen afectar a la meición. 8

15 namiento rcuitos e aconicio 3. ir = ( e P T / R ) ircuito oscilaor ε = rε ( n ) 9 ircuito oscilaor namiento aconicio 3. ir rcuitos e HL L - omph + H H L + ompl - L G. Ferri, P. De Laurentiis, novel low voltage power oscillator as a capacitive sensor interface for portable applications, ensors an ctuators, vol. 76, pp ,

16 ircuito oscilaor namiento aconicio 3. ir rcuitos e f I = ( ) H L) G. Ferri, P. De Laurentiis, novel low voltage power oscillator as a capacitive sensor interface for portable applications, ensors an ctuators, vol. 76, pp , DETEIÓN EN TIEMPO ONTINUO namiento 3. ir rcuitos e aconicio I D Q = = t et t giróscopos e estructura vibrante I = Q t ( et_ = t ac ) 3

17 DETEIÓN ÍNRON aconicio namiento 3. ir rcuitos e Y X X Δ ( θ θ ) cos ( ωt + θ + θ ) = X ref cos X ref X ref LPF X out ref Δ 33 DETEIÓN EN TIEMPO ONTINUO aconicio namiento 3. ir rcuitos e ircuito con buffer mplificaor e transresistencia mplificaor e transcapacitancia 34

18 DETEIÓN EN TIEMPO ONTINUO aconicio namiento 3. ir rcuitos e ircuito con buffer mplificaor e transresistencia mplificaor e transcapacitancia 35 m (t) aconicio namiento 3. ir rcuitos e X = ) X R b = + Δ m( t efine el voltaje c en x + P efecto e la capacitancia parásita ω p = R ( + b P ) 36

19 m (t) namiento aconicio X = ) X R b = + Δ m( t efine el voltaje c en x + P 3. ir rcuitos e i señal >> i c πf mox >> R fmo = 5kHz R = b >>. MΩ 5 ff X b Rb >> πf R mo b 37 m (t) namiento aconicio X = ) X R b = + Δ m( t efine el voltaje c en x + P 3. ir rcuitos e Implementación e R b : Resistencia e polisilicio. Dioos. Transistor MO en inversión ébil. apacitores conmutaos. 38

20 m (t) namiento X = + Δ aconicio X = m ( t) + P 3. ir rcuitos e Inyección e carga. Deriva el valor c. 39 ensor capacitivo e placas plano-paralelas l l namiento rcuitos e aconicio 3. ir = ε + + z f f 4

21 = + Δ aconicio namiento 3. ir rcuitos e m (t) X X X R R b = m ( t) + pl + Δ = m ( t) + Δ + Baja sensibilia. Ganancia en moo común muy grane. pl = + +, f, f Δ = Δ + Δ f efecto e la capacitancia parásita 4 rcuitos e aconicionamiento 3. ir 4

22 aconicionamiento BOOTTRPPED BUFFER rcuitos e 3. ir 43 BOOTTRPPED BUFFER aconicionamiento 3. ir rcuitos e r r X = m+ ( t) + m ( t) X = m ( t ) + r + r r + m+ ( t) = m ( t) ) r = Δ X = m ( t) = + Δ + Δ Δ << Δ = m ( t ) 44

23 ensor capacitivo iferencial 3. ir rcuitos e aconicionamiento p = sense = Δx m ( t ) x 45 aconicio namiento 3. ir rcuitos e s m+ m ENOR DIFERENIL s X X p s x s s = m ( t) + + s p s = Δ Δ X = m ( t ) s = + Δ + p efecto e la capacitancia parásita 46

24 m (t) aconicio namiento 3. ir rcuitos e m (t) s X s X = m ( t) s s + s s s = Δ Δ X = m ( t) s = + Δ 47 DETEIÓN EN TIEMPO ONTINUO aconicio namiento 3. ir rcuitos e ircuito con buffer mplificaor e transresistencia mplificaor e transcapacitancia 48

25 r = namiento X o = + Δ 3. ir rcuitos e aconicio i = t ) = ( m t i r = ( r m ) = t m t + Δ t m m + m ( Δ) t i in = Δ t i in m + m Δ t m (Δ) t m o R f Δ t 49 r = namiento aconicio X o = + Δ m o R f Δ t rcuitos e 3. ir 5

26 namiento rcuitos e aconicio 3. ir X o 5 DETEIÓN EN TIEMPO ONTINUO aconicio namiento 3. ir rcuitos e ircuito con buffer mplificaor e transresistencia mplificaor e transcapacitancia = mplificaor sensible a carga 5

27 m+ namiento p X Rb f o ( t) o = m f aconicio m = = + Δ Δ 3. ir rcuitos e X o = ( t) o m Δ f 53 = Δ = + Δ aconicio namiento 3. ir rcuitos e = o in o s( ) R in + s f R f f X o = in sδr + s f f R f umentar ganancia Δ Reucir frecuencia ω >> e moulación f f R f Δ o = in ( t) f f f f ( valor típico ) 54

28 técnica chopper rcuitos e aconicionamiento 3. ir 55 técnica chopper rcuitos e aconicionamiento 3. ir 56

29 rcuitos e aconicionamiento 3. ir D. Fang, H. Xie, Low-Noise Low-Power Preamplifier for apacitive MO-MEM Gyroscopes, 49th IEEE International Miwest ymposium on ircuits an ystems, pp. 7-74, alia única alia iferencial 3. ir rcuitos e aconicionamiento Necesario generar m+ y m- muy estables. Mejora PRR. Mejora MRR. 58

30 aconicio namiento 3. ir rcuitos e ΔQ = Q out+ Q = Δ ( Δ Δ icm out Δ = ( Δ Δicm) i Δ = Δ out+ out i + i ) + p error en ganancia = ff i = ff p =. 7 pf M. Lemkin, B.E. Boser, Three-xis Micromachine ccelerometer with a MO Position-ense Interface an Digital Offset-Trim Electronics, IEEE Journal of oli-tate ircuits, vol. 34, no. 4, pp , aconicio namiento 3. ir rcuitos e Mismatch Δ p y Δ i : Δ Δ + Δ i p out+ out = Δ i + i + p i + i + p error en ganancia error e offset = ff i = ff p =. 7 pf M. Lemkin, B.E. Boser, Three-xis Micromachine ccelerometer with a MO Position-ense Interface an Digital Offset-Trim Electronics, IEEE Journal of oli-tate ircuits, vol. 34, no. 4, pp ,

31 namiento 3. ir rcuitos e aconicio = ff i = ff p =. 7 pf El op amp ebe ser capaz e manejar excursiones e la señal e entraa en moo común muy granes. El op amp ebe tener un MRR muy elevao. Los pulsos e excitación eben ser pequeños para mantener la señal entro el rango e entraa en moo común. M. Lemkin, B.E. Boser, Three-xis Micromachine ccelerometer with a MO Position-ense Interface an Digital Offset-Trim Electronics, IEEE Journal of oli-tate ircuits, vol. 34, no. 4, pp , ontrol el moo común en la entraa 3. ir rcuitos e aconicionamiento = Δ Δ i Δ out+ out fb fb i no hay camino a tierra en c!! error e offset M. Lemkin, B.E. Boser, Three-xis Micromachine ccelerometer with a MO Position-ense Interface an Digital Offset-Trim Electronics, IEEE Journal of oli-tate ircuits, vol. 34, no. 4, pp ,

32 ontrol el moo común en la entraa rcuitos e aconicionamiento 3. ir M. Lemkin, B.E. Boser, Three-xis Micromachine ccelerometer with a MO Position-ense Interface an Digital Offset-Trim Electronics, IEEE Journal of oli-tate ircuits, vol. 34, no. 4, pp , ontrol el moo común en la entraa aconicionamiento IMFB rcuitos e 3. ir M. aukoski et al., Interface an control electronics for a bulk micromachine capacitive gyroscope, ensors an ctuators, vol. 47, no., pp , 8. 64

33 DETEIÓN EN TIEMPO DIRETO aconicionamiento 3. ir rcuitos e sensar carga PITORE ONMUTDO 65 aconicionamiento 3. ir rcuitos e fase e muestreo: φ = x se carga fase e transferencia e carga: φ = = o ref x f Q = ref x 66

34 Reaout iferencial rcuitos e aconicionamiento 3. ir + c _ in c _ in + step _ out = = c _ in i + i H. Röjegar,. Lööf, ifferential charge-transfer reaout circuit for multiple output capacitive sensors, ensors an ctuators, vol. 9, pp , conicionamiento e sensores resistivos y capacitivos 3. ensores apacitivos 3. ircuitos e aconicionamiento 3.3 ompensación e no iealiaes 3.4 Bibliografía 68

35 3. ir rcuitos e aconicionamiento out = Δ s + + os + int int s error e offset 69 Técnica auto-zero rcuitos e aconicionamiento 3. ir 7

36 Meición el offset aconicionamiento 3. ir rcuitos e = out os 7 Fase : ancelación el offset namiento os aconicio + os out out out = os os + 3. ir rcuitos e os + os + out _ off = + in, off + os os os os = in, off + << os + + 7

37 Fase : Meición e la señal 3. ir rcuitos e aconicionamiento out out = Δ s + + in, off + int int Δ s int int s + s os os offset resiual 73 ircuito completo: rcuitos e aconicionamiento 3. ir out Δ s int int + s os os 74

38 Técnica correlate ouble sampling namiento rcuitos e aconicio 3. ir lmacenamiento el offset en la entraa 75 Técnica correlate ouble sampling? rcuitos e aconicionamiento 3. ir 76

39 Fase namiento aconicio Fase almacenamiento el offset en la salia 3. ir rcuitos e Fase 3 77 Reaout con cancelación e offset y ruio /f 3. ir rcuitos e aconicionamiento step _ out _ a step _ out _ b = = c _ in c _ in + + i + + i c _ in c _ in out _ pp out _ pp = step _ out _ a = ) ( c _ in c _ in step _ out _ b + i H. Röjegar,. Lööf, ifferential charge-transfer reaout circuit for multiple output capacitive sensors, ensors an ctuators, vol. 9, pp , 5. 78

40 Reaout con cancelación e offset y ruio /f namiento 3. ir rcuitos e aconicio c _ out out _ pp = ) ( c _ in c _ in = ) ( c _ in c _ in + + i i H. Röjegar,. Lööf, ifferential charge-transfer reaout circuit for multiple output capacitive sensors, ensors an ctuators, vol. 9, pp , conicionamiento e sensores resistivos y capacitivos 3. ensores apacitivos 3. ircuitos e aconicionamiento 3.3 ompensación e no iealiaes 3.4 Bibliografía 8

41 3.4 Bib bliografía [] Resistive an apacitive Base ensing Technologies, W.Y. Du,.W. Yelich, ensors & Transucers Journal, vol. 9, pp. -6, 8. [] ensores y aconicionaores i e señal, R. Pallás reny, lfaomega Grupo Eitor,. [3] apacitive sensors, L.K. Baxter, IEEE Press, 997. [4] n Offset-anceling Low-Noise Lock-In rchitecture t for apacitive ensing, M. Tavakoli, R. arpeshkar, IEEE Journal of oli-tate ircuits, vol. 38, no., 3. [5] MO Reaout Interfaces for MEM apacitive Microphones,.. Jawe, PhD Dissertation, 9. [6] imulation of Microelectromechanical ystems, G.K. Feer, PhD Dissertation, 994. [7] Integrate Interface Electronics for apacitive MEM Inertial ensors, L. altonen, PhD Thesis,. [8] mart ensor ystems, e. G..M. Meijer, John Wiley & ons, 8. 8