0引言
電容式傳感器是將被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一類傳感器,由于它具有靈敏度高、功耗低、溫度漂移小等優(yōu)點(diǎn),因此廣泛應(yīng)用在壓力、濕度、溫度和加速度等測(cè)量中。MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))傳感器體積小的特點(diǎn)決定了敏感電容器的電容值不可能大,一般為pF量級(jí),而由這些物理量引起的微電容的變化更加微小,一般為fF甚至aF量級(jí)。如此小的變化量對(duì)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的用分立元件搭制檢測(cè)電路的方法將無法適應(yīng)傳感器電容不斷減小的趨勢(shì),因此設(shè)計(jì)匹配的接口集成電路是十分必要的。常用的低值電容測(cè)量電路都是把電容的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯蝾l率。目前大多數(shù)國(guó)外MEMS傳感器廠家采用開關(guān)電容電路作為電容信號(hào)的接口。這一電路的特點(diǎn)是精度高、可實(shí)現(xiàn)與傳感器的高度集成,但電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,對(duì)于工藝精度要求較高。其次是采用振蕩法將敏感電容變化轉(zhuǎn)換為頻率或周期,電路簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),輸出的頻率信號(hào)具有準(zhǔn)數(shù)字輸出的特點(diǎn),便于測(cè)量。本文介紹的電路正是基于這種原理。

1微電容檢測(cè)

已推導(dǎo)的基于施密特觸發(fā)器檢測(cè)電容的方法不同,為了避免輸出頻率受電源電壓、溫度變化和工藝波動(dòng)的影響,本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的微電容式傳感器檢測(cè)電路在張弛振蕩器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種差頻電路,其模塊示意圖如圖1所示。本文對(duì)敏感電容檢測(cè)電路的流水芯片進(jìn)行了測(cè)試和分析,并搭建了圖1所示結(jié)構(gòu)的整個(gè)電路,仿真并測(cè)試了該電路的溫漂特性。

2接口電路的分析與改進(jìn)

2.1振蕩器電路

圖2是本實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)流片的敏感電容振蕩電路。該電路由開啟電路、恒流源、CMOS開關(guān)、施密特觸發(fā)器以及反相器組成。

由圖3和圖4可見,該電路實(shí)現(xiàn)了輸出波形的頻率與敏感電容的變化成反比的關(guān)系,從振蕩器的輸出端讀取頻率完全可以檢測(cè)到傳感器電容的變化。但是存在兩個(gè)問題：一是輸出頻率過大,不方便單片機(jī)讀數(shù)；二是輸出頻率仍然受電源電壓、溫度變化和工藝波動(dòng)的影響。

2.2差頻電路

在檢測(cè)電路中利用D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)差頻功能。D觸發(fā)器為下降沿觸發(fā)的CMOS主從觸發(fā)器。敏感電容轉(zhuǎn)換的波形從D端輸入,參考電容轉(zhuǎn)換的波形從CK端輸入,輸出為兩個(gè)波形的頻率之差。這樣可以提高電路的靈敏度,改善單邊電路的溫度、電源電壓抑制等對(duì)電路性能的影響。

下面分析D觸發(fā)器的差頻原理。由前面設(shè)定的條件,信號(hào)頻率大于時(shí)鐘頻率,定義輸入信號(hào)的周期與時(shí)鐘信號(hào)的周期之差為△T,即

首先假設(shè)存在一個(gè)整數(shù),使得各方波之間滿足以下關(guān)系：


在t0刻,Vin和Vck同為下降沿,Vout應(yīng)跟隨Vck的原狀態(tài)輸出高電平。那么,由△T=Tin-Tck,在Vck第2個(gè)下降沿到來時(shí),比Vin的第2個(gè)下降沿要遲一個(gè)△T,此時(shí)Vin為高電平。由下降沿觸發(fā)的D觸發(fā)器的真值表(見表1)可知,此時(shí)Vout必輸出低電平,見圖5。
 

經(jīng)n個(gè)周期,使得(n-1)△T≤Tin/2,n△T>Tin/2時(shí),Vck下降時(shí)Vin為高電平,輸出跳變?yōu)楦唠娖?。?jīng)過λTck的時(shí)間,Vin比Vck多走了一個(gè)周期,再次同時(shí)達(dá)到下降沿,但Vout仍為輸出高電平。(λ+1)Tck時(shí),Vck下降沿到來,此時(shí)Vin為高電平。Vout再次跳變到低電平。取兩次Vout下降沿的距離作為Vout的周期,得