0引言
電容式傳感器是將被測的非電量變化轉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、溫度漂移小等優點,因此廣泛應用在壓力、濕度、溫度和加速度等測量中。MEMS(微電子機械系統)傳感器體積小的特點決定了敏感電容器的電容值不可能大,一般為pF量級,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。如此小的變化量對檢測電路的設計是一個挑戰。傳統的用分立元件搭制檢測電路的方法將無法適應傳感器電容不斷減小的趨勢,因此設計匹配的接口集成電路是十分必要的。常用的低值電容測量電路都是把電容的變化轉變為電壓或頻率。目前大多數國外MEMS傳感器廠家采用開關電容電路作為電容信號的接口。這一電路的特點是精度高、可實現與傳感器的高度集成,但電路結構相對復雜,對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換為頻率或周期,電路簡單,易于實現,輸出的頻率信號具有準數字輸出的特點,便于測量。本文介紹的電路正是基于這種原理。

1微電容檢測

已推導的基于施密特觸發器檢測電容的方法不同,為了避免輸出頻率受電源電壓、溫度變化和工藝波動的影響,本實驗室開發的微電容式傳感器檢測電路在張弛振蕩器的基礎上設計了一種差頻電路,其模塊示意圖如圖1所示。本文對敏感電容檢測電路的流水芯片進行了測試和分析,并搭建了圖1所示結構的整個電路,仿真并測試了該電路的溫漂特性。

2接口電路的分析與改進

2.1振蕩器電路

圖2是本實驗室已經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、施密特觸發器以及反相器組成。

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

2.2差頻電路

在檢測電路中利用D觸發器實現差頻功能。D觸發器為下降沿觸發的CMOS主從觸發器。敏感電容轉換的波形從D端輸入,參考電容轉換的波形從CK端輸入,輸出為兩個波形的頻率之差。這樣可以提高電路的靈敏度,改善單邊電路的溫度、電源電壓抑制等對電路性能的影響。

下面分析D觸發器的差頻原理。由前面設定的條件,信號頻率大于時鐘頻率,定義輸入信號的周期與時鐘信號的周期之差為△T,即

首先假設存在一個整數,使得各方波之間滿足以下關系：


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

經n個周期,使得(n-1)△T≤Tin/2,n△T>Tin/2時,Vck下降時Vin為高電平,輸出跳變為高電平。經過λTck的時間,Vin比Vck多走了一個周期,再次同時達到下降沿,但Vout仍為輸出高電平。(λ+1)Tck時,Vck下降沿到來,此時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