電容式傳感器分單電容式和差分電容式二種。如圖1所示。

　　圖1 單電容式和差分電容式傳感器

　　(a) 單電容傳感器

　　(b) 差分電容傳感器

　　圖1(a)為兩平行板組成的電容器，圖1(b)為兩平行板中間插入極板組成的差分電容傳感。對(duì)圖1(a)而言，當(dāng)忽略電容器的邊界效應(yīng)時(shí)：

　　電容器的電容量為：　

　　式中a為電容器的極板面積，d為極板的距離，er、e0為介電常數(shù)。

　　電容傳感器中的變間隙式電容傳感器的c-d特性如圖2所示。

　　圖2 變間隙式電容傳感器的c-d特性曲線圖

　　單電容傳感器的一個(gè)極板固定，稱為靜極板，另一極板與被測物體連接為動(dòng)極板。差分電容傳感器的上下極板均固定，稱為靜極板，中間極板為動(dòng)極板。當(dāng)被測物體移動(dòng)時(shí)動(dòng)極板跟隨移動(dòng)，就改變了極板間的電容量c，可知c-d特性是一條曲線：

　　當(dāng)d0減小dd時(shí)，且δd< d0　

　　(1)

　　由(1)式可得：

　　( 2 )

　　當(dāng)dd/d0<<1時(shí)，得到進(jìn)似的線性關(guān)系；

　　電容傳感器的靈敏度：

　　(3)

　　如果考慮到(2)式中的線性項(xiàng)和非線性項(xiàng)：

　��；

　　電容傳感器的相對(duì)非線性誤差：

　　(4)

　　從(3)式可以看出，要提高靈敏度，應(yīng)減小電容起始間隙d0 ，但d0的減小受到電容器擊穿電壓的限制，不僅加工精度要求高，電容傳感器的相對(duì)非線性誤差增加。

　　為提高傳感器的靈敏度k，提高精度、減小非線性誤差&，電容傳感器大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。在差分電容傳感器中，當(dāng)動(dòng)極板的移動(dòng)距離為dd時(shí)，電容c1的間隙d1變?yōu)閐0-dd，電容c2的間隙d2變?yōu)閐0+dd。

　　當(dāng)dd/d0≤1時(shí)，得到進(jìn)似的線性關(guān)系

　　；

　　差動(dòng)電容傳感器的靈敏度

　　；

　　差動(dòng)電容傳感器的相對(duì)非線性誤差：

　　(5)

　　可見，電容傳感器采用差動(dòng)方式之后，靈敏度提高了一倍，相對(duì)非線性誤差減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。與此同時(shí)，差動(dòng)電容傳感器突出優(yōu)點(diǎn)是最大限度地減小環(huán)境影響所造成的誤差。

　　就mems單電容式和差分電容式傳感器而言，單電容式傳感器在50hz~20khz范圍內(nèi)頻響線性度好，將來可做成微麥克風(fēng)代替柱節(jié)式壓力傳感器，用在手機(jī)里。差分電容傳感器在0hz-1khz范圍內(nèi)頻響線性度好，目前已廣泛應(yīng)用在低頻地震波檢測上。

　　單電容傳感器調(diào)理電路

　　傳統(tǒng)的電容檢測方法有電荷轉(zhuǎn)移法和脈寬調(diào)制法，電荷轉(zhuǎn)移法常用于單電容檢測，脈寬調(diào)制法常用于差分電容檢測。圖3是方波發(fā)生器電路，產(chǎn)生的方波頻率

　　如果 rf 為常數(shù)，則f是cx(x)函數(shù)，可根據(jù)測定f占空比，計(jì)算出cx(x)的值。實(shí)際上，圖3電路僅可測量靜態(tài)電容，對(duì)于測量動(dòng)態(tài)電容，必須對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)， 對(duì)cx的電荷轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行保護(hù)。改進(jìn)的方法是用電容性有源網(wǎng)絡(luò)在電路中來代替cx，如圖4所示。u3是電荷轉(zhuǎn)移放大器，是網(wǎng)絡(luò)的中心；u2是跟隨器；u4是保持器，電路靜態(tài)諧振頻率以38khz~40khz為好。

　　圖3 方波發(fā)生器電路

　　圖4 由rc和運(yùn)算放大器組成的電容性有源網(wǎng)絡(luò)