同面多电极电容传感器结构仿真研究

曹 河，董恩生，范作宪，庞 宇

(1.空军航空大学控制工程系，吉林 长春130022;2.空军航空大学飞行训练基地，吉林长春130062)

0 引言

由于电容传感器具有结构简单，分辨率高，抗干扰能力强，动态响应快，能在恶劣环境下工作等优点［1，2］，在工程中得到了广泛的应用，如，电容层析成像系统［3，4］、MEMS 加速度计以及一些其他的工程应用。传统电容传感器由于受到结构限制使得应用受限，而同面多电极电容传感器［5］是将检测电极放置于同一平面上，通过测量传感器敏感区内电容信息，对所得到的电容信息进行分析，得到敏感区内被测介质分布信息。

不同于传统的电容传感器，同面多电极电容传感器的敏感场是一个非线性场，称为“软场”［6］，其分布是非均匀的，这对后续的信息处理、图像重建影响很大，而这种非均匀性又在很大程度上决定于传感器的结构，因此，对传感器结构参数的仿真，优化意义重大。而用解析法获得其电场信息相当复杂，通过有限元法来获取电场信息是一种使用比较广泛的方法［7］。本文使用有限元分析软件ANSYS对同面双电极结构电容传感器进行三维仿真计算，得到极板长、宽、间隙的最佳组合。通过比较同面八电极电容传感器在各种屏蔽下电势分布，确立了传感器的屏蔽方式，为传感器设计提供了依据。

1 电容传感器数学模型

以往研究中为简化模型，传感器的有限元仿真大多采用二维结构，基于假设条件:1)电极和屏蔽电极为无限长，这样电极的边缘效应就可以忽略;2)检测过程中目标的介质分布是不变的;3)传感器一定区域横截面内无自由电荷［8，9］。……