過去，汽車電子系統(tǒng)很少采用容性傳感器，因為它們被認為難以控制、難以讀出、容易老化且易受溫度影響。另一方面，容性傳感器具有制造成本適中、外形尺寸簡單和功耗低等有吸引力的特性，這就為它們的使用提供了動力。隨著新型測量技術的出現，汽車中容性傳感器的使用數量急劇增加。
挑戰(zhàn)
宏觀上看，要對容性傳感器進行分析，通常需將其電容轉換為另一種物理變量，如電壓、時間或頻率等。微觀上看，容性傳感器已經在汽車中使用了很長時間，微機電加速度傳感器就是基于這個原理，這些傳感器常用于檢測電荷轉移。
一種用于檢測電容的新方法是利用經過改造的Σ-Δ轉換器輸入級來檢測未知電容，并將其轉換為數字值。本文將闡述這種利用電容數字轉換器（CDC）的方法，以及若干可用于汽車電子設計的容性傳感器原理。最后，本文會概述另一種可選方法。
電容數字轉換器
為了形象地說明CDC方法，我們必須初步了解Σ-Δ轉換的原理。下面是一個簡化的Σ-Δ轉換器電路圖。
為了清楚地了解其工作原理，我們首先看積分器的輸入，它必須在較長的時間間隔內維持零值，小的短期跳躍將被轉換為斜坡。通過把參考分支的輸出提升到與輸入分支一樣的電平，可以實現零均值，它進而受到比較器輸出的影響。在邏輯1下，基準電壓被切換到后續(xù)電容。
電容反向充電并被施加到積分器，使負基準電壓被施加到積分器。輸入端的高電壓因此引起大量的邏輯1，這些邏輯1進而頻繁地作用在負基準電壓上。1的密度被后置數字濾波器轉換為數字數值。典型的Σ-Δ轉換器將未知電壓與已知電壓比較，并利用兩個已知（通常相等）的電容來做到這一點。
實際上，比較的是電荷，因此，如果兩個電壓均為已知值（這種情形下采用相等的電壓），則電容可以通過Q=C*V來比較。還必須將一個同步電壓信號施加到輸入分支，如下圖的電容數字轉換器所示。
這種方法有幾個優(yōu)點。因為與Σ-Δ轉換器存在密切關系，所以可以修改和采用它們眾所周知的特性，這些特性包括：高噪聲抑制能力、相對較低頻率下的高分辨率，以及能夠經濟有效地實現高精度。
所有Σ-Δ轉換器都具有類似的輸入結構，幾乎無一例外，因此人們可以對各種特殊結構進行改造，以適應特定的測量任務，例如：特別低的電流輸入、最高精度或較高的截止頻率。
如果我們仔細考察上圖，可以發(fā)現更多的優(yōu)點。寄生電容對初始近似沒有任何作用。在節(jié)點A趨向零的寄生電容具有零電位。節(jié)點B不為零電位，但是一個已定義的低阻電位會饋入其中，所以在該節(jié)點的寄生電容將充電到一個不影響測量結果的平均值。從節(jié)點A到節(jié)點B的寄生電容總是與測量單元并聯，并且總是以偏移量的形式出現。
現有電容數字轉換器可以提供非常高的性能。例如，ADI公司的AD7745達到了24位分辨率和16位精度。
容性傳感器
過去的電容分析系統(tǒng)需要比較大的測量電容，并在觸摸時發(fā)生較大的電容變化。要求足夠大的變化常常會給傳感器制造商帶來麻煩，而較小的電容傳感器就不會出現這些問題。例如，典型的150 pF濕敏傳感器不僅非常昂貴（因為容值比較大），而且更易于出錯，長期穩(wěn)定性也比較低。
電容的容值可以根據其結構進行計算：
C = εoεr A/d
其中，εo是自由空間的介電常數，εr是材料的介電常數，A是可用金屬板面積，d是兩電極之間的距離。除了若干例外情況之外，如壓力傳感器等，所有其他容性傳感器都是利用金屬板表面或電介質的變化來測量電容的變化。大部分傳感器可以分為兩類：一類是金屬板幾何面積發(fā)生變化，如液位傳感或位移傳感器；另一類是材料的介電常數εr發(fā)生變化，如接近傳感器或濕敏傳感器。
電介質傳感器
電介質傳感器的典型例子是濕敏傳感器，它采用濕敏聚合物層作為電介質。隨著濕度的增加，越來越多的水分子沉積下來，導致εr增大。確定液體（如石油或燃油）純度的傳感器本質上由兩塊固定的極板構成，液體本身構成電介質。所需要的液體特性憑經驗確定（即石油或燃油中的水分增加）。溫度起到決定性的作用，也必須可靠地確定下來。確定電介質變化的簡單接近傳感器通常需要最精密的測量電子系統(tǒng)。
多數情況下，接近傳感器由印刷電路板上的兩個導體構成，中間的介質具有非常低的介電常數（接近1）。如果一個物體（如手）移動到該電容的電場之中，容值就會發(fā)生變化。人體的含水量超過90%，因此具有非常高的介電常數（大約50）。
非接觸式開關非常易于制造，支持諸如無鑰匙點火或電動車窗防夾手等應用。無鑰匙汽車的核心要求是電流輸入盡可能最低，標準值是小于100 uA。Σ-Δ轉換器經業(yè)界多年的改進優(yōu)化，因此可提供合適的架構。
雨量傳感器也可以采用類似的方法來實現，易于生產且具有成本效益，外形尺寸也有優(yōu)勢。但是，基于水滴光學折射的傳統(tǒng)雨量傳感器在風檔玻璃上的有效面積非常小，這樣就降低了系統(tǒng)的靈敏度，并一再導致干刮和雨刮失效的問題。
幾何變化型傳感器
依賴幾何尺寸變化的傳感器例子有壓力傳感器、液位傳感器和位移傳感器，它們都是簡單地移動固定極板之間的電介質。壓力傳感器利用兩塊固定尺寸的極板作為隔膜，當有壓力作用于傳感器時，極板之間的距離會因為彈性而改變。
由于存在熱膨脹，因此需要一個溫度傳感器來衡量幾何尺寸的變化。設想將一個電極連接到芯片上，另一個電極連接到由金屬或陶瓷制成的外殼上，因此外殼本身起到傳感器的作用。例如，陶瓷外殼可以耐受非常高的壓力和侵蝕性介質。與傳統(tǒng)的惠斯通電橋相比，電容壓力傳感器的主要優(yōu)點是輸入電流要求更低，所以特別適合胎壓控制之類的應用。
在液位傳感器中，一對固定的極板浸入待測液體中。制造商能夠以非常低的成本實現印刷導體。第二對極板則安裝在底部區(qū)域，以便檢測電介質因溫度或其它影響而發(fā)生的變化，如下圖所示。
在所有方法中，Σ-Δ技術證實格外有效。在許多情況下，必須使用的數字濾波器可以用來實現所需要的動態(tài)行為。例如，液位傳感器需要超長的時間常數，而接近傳感器則必須適應已變化的環(huán)境條件（如用于測量雨量或結冰情況的濕敏傳感器等）。
另一種可選方法
還有一種技術也管用，它采用一種完全不同、稍微復雜的方法。但是，它可以用來測量復阻抗，包括感性、阻性/容性或阻性/感性傳感器。這種情況下，傳感器由一個非常精確的已知頻率來激勵，直接數字頻率合成器（DDS）技術非常適合這種應用。
利用DDS方法計算阻抗的實部和虛部
傳感器的響應通過快速模數轉換器和快速傅里葉分析來記錄。采用DDS方法，隨時都能精確得知原始的相位位置。以相同的方式，還可以測量對其它頻率的響應。由此可以計算阻抗的實部和虛部，然后通過數字總線輸出。完整的掃描只要幾百毫秒。下圖說明了該方法。
該網絡分析儀電路可以用于容性和感性傳感器，以及記錄運動或測量液體（如機油或變速箱油）粘度的傳感器。
結束語
容性傳感器在汽車應用中重獲新生，新的應用方法已經在壓力、液位、濕度、雨量和接近傳感器的應用中初露鋒芒。Σ-Δ技術能夠提供靈活的解決方案來滿足不同的動態(tài)和精度要求，并且支持實現功耗要求極低的傳感器系統(tǒng)。CDC器件已用于多種汽車應用中，其應用范圍將越來越廣。
