MEMS高線性電容式壓力傳感器檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、近年來(lái)隨著MEMS傳感器技術(shù)的飛躍和進(jìn)步，微電容傳感器在工藝上實(shí)現(xiàn)了易于集成化、功能多樣化以及更加微型化。使得包括微型加速度計(jì)、微型溫度傳感器、微型壓力傳感器、醫(yī)學(xué)傳感器、生物傳感器等得到廣泛應(yīng)用。其中，基于MEMS技術(shù)的電容式壓力傳感器具有高穩(wěn)定性和高靈敏度，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，能實(shí)現(xiàn)良好的線性度。項(xiàng)目組基于MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)研制了一種新型高線性電容式壓力傳感器，可實(shí)現(xiàn)良好的線性度和靈敏度。
　　微電容式壓力傳感器在微機(jī)電系統(tǒng)中起著檢

2、測(cè)和轉(zhuǎn)變各種非電量信號(hào)的作用，它必須具有良好的穩(wěn)定性和靈敏度。其中檢測(cè)得來(lái)的非電量信號(hào)在轉(zhuǎn)化成微電量信號(hào)后，其微電量信號(hào)的讀取成為了重要環(huán)節(jié)。因此微電容傳感器接口電路的設(shè)計(jì)具有十分重要的實(shí)際應(yīng)用的意義，也是整個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)的重點(diǎn)之一。本文詳細(xì)介紹了用于微電容檢測(cè)的五種方法，并比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)采集信號(hào)的準(zhǔn)確性和抗干擾性選擇了采用開(kāi)關(guān)電容法和電容-頻率轉(zhuǎn)化電路兩種方法，作為上述新型高線性電容式壓力傳感器接口電路的形式。
　　在開(kāi)

3、關(guān)電容法中，采用差頻輸入方式，提高輸出電壓的線性度;同時(shí)采用斬波穩(wěn)定技術(shù)設(shè)計(jì)了微電容讀出電路，降低了電路功耗，提高噪聲性能。并對(duì)斬波電路的各個(gè)模塊進(jìn)行了電路級(jí)別仿真驗(yàn)證，用Candence Spectre對(duì)整體電路驗(yàn)證得到精確到aF級(jí)的微電容。仿真結(jié)果顯示輸出電壓和電容量均保持良好的線性度，在5V的電源電壓下實(shí)現(xiàn)低功耗，約為2.232mW，失調(diào)電壓僅為0.22mV，靈敏度達(dá)到0.58mV/aF。在功耗性能上較其他MEMS傳感器的研究得到

4、提高。
　　在電容-頻率轉(zhuǎn)化法中，提出了差頻電路消除共模干擾，由于參考頻率和傳感器輸出的信號(hào)頻率具有相同的工藝性能和溫度性能，因此兩頻率之差可最大程度的消除共模干擾。通過(guò)Candence仿真驗(yàn)證，輸出方波占空比達(dá)到50％。在原有的六管Schmitt觸發(fā)器基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了改進(jìn)型的Schmitt觸發(fā)器，減少輸入端口寄生電容的同時(shí)，使得閾值電平的調(diào)整更加方便。在自偏置恒流源的設(shè)計(jì)上，提出了三支路負(fù)反饋系統(tǒng)的基準(zhǔn)電流源。
　　最后為提

5、高接口電路的靈敏度，設(shè)計(jì)了并聯(lián)一個(gè)負(fù)電容至傳感器敏感電容，并通過(guò)仿真驗(yàn)證可行，設(shè)計(jì)靈敏度達(dá)到25HZ/fF。
　　本文采用了課題組設(shè)計(jì)的高線性硅基壓力傳感器，作為接觸式壓力傳感器的創(chuàng)新形式，必須研發(fā)與之匹配的檢測(cè)電路系統(tǒng)。采用斬波穩(wěn)定技術(shù)讀出電路設(shè)計(jì)和電容---頻率轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì)，相較于同類讀出電路都具有較高的靈敏度可相對(duì)簡(jiǎn)單的電路形式。論文中研究工作，不僅滿足了新型MEMS傳感器對(duì)性能的要求，對(duì)于微電容檢測(cè)電路的研究和發(fā)展提供了有