利用差频电路实现微电容式传感器检测电路的温漂抑制 difference frequency circuit used to achieve temperature drift suppression of interface circuit in micro-capacitive sensors.pdfVIP

第34卷第10期 电子工蠢师 V01．34No．10 2008年10月 ELECTRONICENGINEER 0ct．2008 利用差频电路实现微电容式传感器检测电路的温漂抑制 吉文婷，秦 明，黄庆安 (东南大学MEMS教育部重点实验室，江苏省南京市210096) 摘 要：介绍了一种本实验室开发的CMOS工艺的电容式传感器的接口电路。重点分析了基于 施密特触发器的张弛振荡器接口电路，实现了敏感电容以及参考电容与频率的转换。通过对两频率 求差来抑制各种共模干扰。对样片进行了测试，输出频率与理论值基本一致。最后对该电路进行了 温漂特性的仿真和测试，验证了差频电路可以将电源波动和温度的影响完全抑制在精度的允许范围 内。 关键词：MEMS(微电子机械系统)；微电容式传感器；接口电路；差频电路；温漂特性 中图分类号：TP212．11 整个电路，仿真并测试了该电路的温漂特性。 0引言 差频 检测模块 电容式传感器是将被测的非电量变化转换为电容 一凡 量变化的一类传感器，由于它具有灵敏度高、功耗低、 温度漂移小等优点，因此广泛应用在压力、湿度、温度 恒流源l-辋 和加速度等测量中¨引。MEMS(微电子机械系统)传 感器体积小的特点决定了敏感电容器的电容值不可能 由R _t 皿『 。毯即 I D触发器 大，一般为pF量级，而由这些物理量引起的微电容的 ●’ 变化更加微小，一般为仃甚至aF量级。如此小的变 幕阿I 化量对检测电路的设计是一个挑战。传统的用分立元 件搭制检测电路的方法将无法适应传感器电容不断减 图1微电容检测模块示意图 小的趋势，因此设计匹配的接口集成电路是十分必要 的。常用的低值电容测量电路都是把电容的变化转变 2接13电路的分析与改进 为电压或频率。目前大多数国外MEMS传感器厂家 2．1振荡器电路 采用开关电容电路作为电容信号的接口。这一电路的 图2是本实验室已经流片的敏感电容振荡电路。 特点是精度高、可实现与传感器的高度集成，但电路结 该电路由开启电路、恒流源、CMOS开关、施密特触发 构相对复杂，对于工艺精度要求较高。其次是采用振 器以及反相器组成。 荡法将敏感电容变化转换为频率或周期Hj，电路简 单，易于实现，输出的频率信号具有准数字输出的特 点，便于测量。本文介绍的电路正是基于这种原理。 1微电容检测 已推导的基于施密特触发器检测电容的方法不 同，为了避免输出频率受电源电压、温度变化和工艺波 动的影响，本实验室开发的微电容式传感器检测电路 在张弛振荡器的基础上设计了一种差频电路[5]，其模 块示意图如图1所示。本文对敏感电容检测电路的流 图2振荡器的整体电路 水芯片进行了测试和分析，并搭建了图1所示结构的 由图3和图4可见，该电路实现了输出波形的频 收稿日期：2008-07-25