MEMS高线性电容式E+E压力传感器检测电路优化
近年来随着MEMS传感器技术的飞跃和进步,微电容传感器在工艺上实现了易于集成化、功能多样化以及更加微型化。使得包括微型加速度计、微型温度传感器、微型E+E压力传感器、医学传感器、生物传感器等得到广泛应用。其中,基于MEMS技术的电容式E+E压力传感器具有高稳定性和高灵敏度,其结构简单坚固,能实现良好的线性度。

MEMS高线性电容式E+E压力传感器检测电路优化
项目组基于MEMS技术设计研制了一种新型高线性电容式E+E压力传感器,可实现良好的线性度和灵敏度。微电容式E+E压力传感器在微机电系统中起着检测和转变各种非电量信号的作用,它必须具有良好的稳定性和灵敏度。其中检测得来的非电量信号在转化成微电量信号后,其微电量信号的读取成为了重要环节。因此微电容传感器接口电路的设计具有十分重要的实际应用的意义,也是整个微机电系统的重点之一。详细介绍了用于微电容检测的五种方法,并比较了它们的优缺点,根据采集信号的准确性和抗干扰性选择了采用开关电容法和电容-频率转化电路两种方法,作为上述新型高线性电容式E+E压力传感器接口电路的形式。在开关电容法中,采用差频输入方式,提高输出电压的线性度；同时采用斩波稳定技术设计了微电容读出电路,降低了电路功耗,提高噪声性能。并对斩波电路的各个模块进行了电路级别仿真验证,用Candence Spectre对整体电路验证得到精确到aF级的微电容。仿真结果显示输出电压和电容量均保持良好的线性度,在5V的电源电压下实现低功耗,约为2.232mW,失调电压仅为0.22mV,灵敏度达到0.58mV/aF。在功耗性能上较其他MEMS传感器的研究得到提高。在电容-频率转化法中,提出了差频电路消除共模干扰,由于参考频率和传感器输出的信号频率具有相同的工艺性能和温度性能,因此两频率之差可zui大程度的消除共模干扰。通过Candence仿真验证,输出方波占空比达到50%。在原有的六管Schmitt触发器基础上,设计了改进型的Schmitt触发器,减少输入端口寄生电容的同时,使得阈值电平的调整更加方便。在自偏置恒流源的设计上,提出了三支路负反馈系统的基准电流源。zui后为提高接口电路的灵敏度,设计了并联一个负电容至传感器敏感电容,并通过仿真验证可行,设计灵敏度达到25HZ/fF。采用了课题组设计的高线性硅基E+E压力传感器,作为接触式E+E压力传感器的创新形式,必须研发与之匹配的检测电路系统。

MEMS高线性电容式E+E压力传感器检测电路优化
采用斩波稳定技术读出电路设计和电容---频率转化电路设计,相较于同类读出电路都具有较高的灵敏度可相对简单的电路形式。论文中研究工作,不仅满足了新型MEMS传感器对性能的要求,对于微电容检测电路的研究和发展提供了有益的参考和价值。