MEMS高線性電容式E+E壓力傳感器檢測電路優化
近年來隨著MEMS傳感器技術的飛躍和進步,微電容傳感器在工藝上實現了易于集成化、功能多樣化以及更加微型化。使得包括微型加速度計、微型溫度傳感器、微型E+E壓力傳感器、醫學傳感器、生物傳感器等得到廣泛應用。其中,基于MEMS技術的電容式E+E壓力傳感器具有高穩定性和高靈敏度,其結構簡單堅固,能實現良好的線性度。

MEMS高線性電容式E+E壓力傳感器檢測電路優化
項目組基于MEMS技術設計研制了一種新型高線性電容式E+E壓力傳感器,可實現良好的線性度和靈敏度。微電容式E+E壓力傳感器在微機電系統中起著檢測和轉變各種非電量信號的作用,它必須具有良好的穩定性和靈敏度。其中檢測得來的非電量信號在轉化成微電量信號后,其微電量信號的讀取成為了重要環節。因此微電容傳感器接口電路的設計具有十分重要的實際應用的意義,也是整個微機電系統的重點之一。詳細介紹了用于微電容檢測的五種方法,并比較了它們的優缺點,根據采集信號的準確性和抗干擾性選擇了采用開關電容法和電容-頻率轉化電路兩種方法,作為上述新型高線性電容式E+E壓力傳感器接口電路的形式。在開關電容法中,采用差頻輸入方式,提高輸出電壓的線性度；同時采用斬波穩定技術設計了微電容讀出電路,降低了電路功耗,提高噪聲性能。并對斬波電路的各個模塊進行了電路級別仿真驗證,用Candence Spectre對整體電路驗證得到精確到aF級的微電容。仿真結果顯示輸出電壓和電容量均保持良好的線性度,在5V的電源電壓下實現低功耗,約為2.232mW,失調電壓僅為0.22mV,靈敏度達到0.58mV/aF。在功耗性能上較其他MEMS傳感器的研究得到提高。在電容-頻率轉化法中,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頻率具有相同的工藝性能和溫度性能,因此兩頻率之差可zui大程度的消除共模干擾。通過Candence仿真驗證,輸出方波占空比達到50%。在原有的六管Schmitt觸發器基礎上,設計了改進型的Schmitt觸發器,減少輸入端口寄生電容的同時,使得閾值電平的調整更加方便。在自偏置恒流源的設計上,提出了三支路負反饋系統的基準電流源。zui后為提高接口電路的靈敏度,設計了并聯一個負電容至傳感器敏感電容,并通過仿真驗證可行,設計靈敏度達到25HZ/fF。采用了課題組設計的高線性硅基E+E壓力傳感器,作為接觸式E+E壓力傳感器的創新形式,必須研發與之匹配的檢測電路系統。

MEMS高線性電容式E+E壓力傳感器檢測電路優化
采用斬波穩定技術讀出電路設計和電容---頻率轉化電路設計,相較于同類讀出電路都具有較高的靈敏度可相對簡單的電路形式。論文中研究工作,不僅滿足了新型MEMS傳感器對性能的要求,對于微電容檢測電路的研究和發展提供了有益的參考和價值。