论文总字数：26217字

摘 要

柔性传感器是MEMS领域的新兴研究方向，其中柔性机械力传感器是目前研究较多、成果颇丰的一类。机械力传感器的信号转换机制惯常思路为把待检测机械信号通过一定的工作原理转换为电学信号，如电阻，电容，电压，电流等电学参数输出，对应于不同的输出电信号，其检测电路的复杂程度和精确程度是决定传感器性能的关键部件之一。立足与此，本论文针对电容式压力传感器，设计了一种精确测量微小电容量的测试电路。该电路通过555定时器的矩形波振荡电路特性，将电容值转化为频率，进而进行数字电路的测量，得出测量结果。电路本身仅由两个单元构成，搭建简单快速，成本低廉，有向高集成度生产的发展意义。近百次的测试验证了该电路系统具有高稳定性，高分辨率及高灵敏度的特点。其高分辨率来源于充放电周期与计数频率的倒数关系，在测量越小电容时拥有越小的步长，最小可达到10^-4pF量级。电路量程极广，涵盖1pF量级到1nF量级，特别是在5pF至100pF的范围内可以得到可靠的数值结果。与各实验室常用测量仪器相比，在如此简单的电路中达到如此高的分辨率和最小量程实属难能可贵。

关键词：电容，555定时器，测量电路

Abstract

Flexible sensors are emerging research directions in the field of MEMS. Among them, flexible mechanical force sensors are one of the most studied and highly successful ones. The conventional method of the signal conversion mechanism of the mechanical force sensor is to convert the mechanical signal to be detected into an electrical signal through a certain working principle, such as resistance, capacitance, voltage, current and other electrical parameter output, corresponding to different output electrical signals, and the detection circuit thereof. Complexity and accuracy are among the key components that determine the sensor's performance. Based on this, this paper designs a test circuit that accurately measures the small capacitance for a capacitive pressure sensor. The circuit through the 555 timer's rectangular wave oscillator circuit characteristics, the capacitance value is converted into frequency, and then the digital circuit measurement, the measurement results. The circuit itself consists of only two units, which is simple and quick to construct, low in cost, and has a development significance for high-integration production. Nearly one hundred tests have verified the circuit system's high stability, high resolution and high sensitivity. The high resolution is derived from the reciprocal relationship between the charge and discharge cycles and the frequency, and has a smaller step size when measuring smaller capacitors, and can reach a magnitude of 10-4 pF minimum. The circuit range is extremely wide, covering the order of 1pF to 1nF, especially in the range of 5pF to 100pF for reliable numerical results. Compared with the measurement instruments commonly used in various laboratories, achieving such a high resolution and minimum range in such a simple circuit is extremely valuable.

KEY WORDS: Capacitor, 555 timer, Measuring circuit

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 2

1.1 引言 2

1.2 国内外研究现状及发展趋势 2

1.3 本文主要研究内容 3

第二章 系统方案设计与分析 4

2.1 电容测量方案论证和选择 4

2.1.1 RC充放电电路 4

2.1.2 交流电桥电路 4

2.1.3 可调频振荡电路 5

2.2 控制系统方案论证及选择 6

2.2.1 中规模集成电路 6

2.2.2 51单片机系统拓展 7

第三章 方案理论分析和计算 9

3.1 555定时器原理 9

3.2 51单片机定时器/计数器原理 11

3.3 LCD1602工作原理 12

3.4 电容测量原理及计算 14

3.5 电容测量误差分析 15

第四章 电路与程序设计 17

4.1 电路的设计 17

4.1.1 系统总体框图 17

4.1.2 单元电路设计 17

4.2 程序的设计 21

4.2.1 程序流程图 21

4.2.2 程序设计软件介绍 22

4.2.3 程序功能描述 22

第五章 测试方案及测试结果 28

5.1 测试方案 28

5.2 测试结果与分析 29

第六章 结语 32

致谢 33

参考文献 34

附录 35

绪论

引言

二维晶体材料因具备优越的材料性能，受到半导体材料研究领域的高度重视。二维石墨烯的发现宣告了真正意义上的二维材料的出现，近年来一直是研究热点。当前，探索各种二维材料在电学，力学上的特性，以期其在器件领域上有更广泛的应用，成为广大科研工作者的工作关注点。柔性传感器即放弃传统硅基工艺，恰当选择新的柔性平面材料，制成的传感器。段建瑞等人就指出“柔性传感器一般具有良好的柔韧性、延展性、甚至可自由弯曲甚至折叠，而且结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对复杂被测量进行检测”[1]。目前主流的，技术相对成熟而有一定规模应用的柔性传感器主要分为柔性气体传感器[2]、柔性压力传感器[3]、柔性温度传感器[4]和柔性湿度传感器[1]这四大类。本人所属的研究团队目前主攻新型柔性压力传感器的研究和设计，已取得一定进展。本文将介绍一个针对矩阵式柔性压力传感元件的电容值读出电路设计方案。该方案能够同时显示六个并联柔性电容式压力传感器的电容测量值，理论量程为从0.22pF到5000pF。特别的，方案具有一定的自校准功能，并在小于100pF的电容测量中具有小于1%的分辨率。

国内外研究现状及发展趋势

随着智能化及智能终端的发展，柔性机械力传感器的研究也取得了丰富的成果。新型传感器多种多样，而其信号转换机制则主要分为压阻、电容和压电三大部分，当然还包括力致发光和摩擦电等其它方式^[5]。应用材料的选取分为基底和导电材料两个方面，主要为有机高分子材料、薄膜金属材料、新型无机半导体材料及二维平面材料。要实现柔性传感器的可拉伸性，各研究通常采用的策略有两种：第一种方法是使用本身可拉伸的导体组装器件；第二种方法是在柔性基底上直接键合低杨氏模量的薄导电材料^[5]。

机理、选材和工艺也都具有多样性，对应相关的研究成果也有很多，如Luo等人从蜘蛛获得灵感，制备出丝状单层碳纳米管(SSL-SWNTs)，以预拉伸的PDMS为基底，以金箔覆盖，黏合后释放预拉伸的基底，制成了高灵敏度、耐久的拉力传感器^[6]。该器件不仅对拉力敏感，同时也可以作为温度传感器使用。这样以二维材料为核心的多功能的传感器还有诸如Ho等人设计出的全石墨烯电子皮肤。他们将氧化石墨烯湿度传感器、还原氧化石墨烯温度传感器及石墨烯压力传感器巧妙地结合成一个单元，进而形成了一个传感矩阵^[7]。再如Liao等人选用氧化锌纳米管作为敏感材料，以PU为基底，制成了高拉伸范围的拉力传感器^[8]。凭借氧化锌纳米管的特殊性质，该器件还实现了对温度变化以及紫外线照射的响应。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：26217字