利用差頻電路實現(xiàn)微電容式傳感器檢測電路的溫漂抑制

0引言
　電容式傳感器是將被測的非電量變化轉(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，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(tǒng))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(shè)計是一個挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)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(shè)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(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯蝾l率。目前大多數(shù)國外MEMS傳感器廠家采用開關(guān)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(xiàn)與傳感器的高度集成，但電路結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為頻率或周期，電路簡單，易于實現(xiàn)，輸出的頻率信號具有準數(shù)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(fā)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(fā)的微電容式傳感器檢測電路在張弛振蕩器的基礎(chǔ)上設(shè)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(jié)構(gòu)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(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(shù)；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。

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　　2.2差頻電路

　　在檢測電路中利用D觸發(fā)器實現(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(fā)器的差頻原理。由前面設(shè)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(shè)存在一個整數(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應跟隨Vck的原狀態(tài)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(fā)的D觸發(fā)器的真值表(見表1)可知，此時Vout必輸出低電平，見圖5。

　經(jīng)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?yōu)楦唠娖健＝?jīng)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

　　對于t0時刻Vin的上升沿與Vck下降沿重合的情況，分析與上面完全類似，可得到相同的結(jié)果。

　　下面考慮更一般的情況。當Tin不是△T的整數(shù)倍時，仍假設(shè)t0時刻輸入不同頻率，不同占空比時Vout和Vck同為下降沿，分析過程同上，不同的是，在Vout經(jīng)過λTck的時間后，由于Tin不是△T的整數(shù)倍，Vin和Vck無法再次同時達到下降沿，對于下一周期的分析將無法套用以上的過程。

　　因此考慮一個相對長的時間內(nèi)，t0到t0+T之間各信號頻率的關(guān)系。Vin走了T／Tin個下降沿，T／Tin或T／Tin+1個上升沿，Vck走了T／Tck個下降沿。Vin比Vck多走了T／Tin-T／Tck個周期。按以分析方法可得出，Vout會有T／Tin-T／Tck個下降沿，可以認為Vout周期為：

　　由式(13)可以看出，通過兩個相同電路的頻率求差，電源、閾值電壓和溫度對頻率的影響中各自最主要的一項被消去，大大降低了對電容-頻率特性的影響。

　2.3接口電路的溫漂特性

　　根據(jù)半導體理論，MOS管閾值電壓可表示為：

　　分別將-40℃～60℃代入式(14)、式(15)，最終得到各溫度下對應的閾值電壓值。從而知道閾值電壓的絕對值隨溫度的升高而減小，又已知輸出頻率受工藝波動成正比關(guān)系，由此推斷輸出頻率隨溫度升高而降低。這將在后面的仿真測試中得到進一步驗證。

　　3設(shè)計和模擬結(jié)果

　　作為傳感器的接口電路，希望在環(huán)境溫度變化的情況下可以得到穩(wěn)定的輸出頻率。在溫度變化范圍在-40℃～60℃、參考電容為14.5 pF的情況下，對圖1檢測電路分別進行了仿真和測試。觀察圖6、圖7可以發(fā)現(xiàn)：輸出頻率與溫度近似成反比關(guān)系，進一步驗證了上述對溫漂特性分析結(jié)論的正確性；差頻后的溫度系數(shù)大約為14 Hz／℃，對于靈敏度為46 fF／hPa的氣壓傳感器，相對于10.04：Hz／fF的靈敏度溫度的影響是可以忽略的；差頻前的測試數(shù)據(jù)曲線與仿真的數(shù)據(jù)曲線有一個距離，這是與電流源在實際工作中的電流值偏小有關(guān)，但并不影響整體電路輸出結(jié)果的檢測；測試曲線的斜率絕對值大于仿真曲線斜率絕對值，這是由于仿真中只考慮了溫度變化引起的閾值電壓變化，而實際測試中溫度變化引起的工藝參數(shù)和器件參數(shù)的變化以及搭建電路受到的測試環(huán)境的各種干擾都將影響測試的數(shù)據(jù)。這可以在后續(xù)工作中通過考慮封裝提高可靠性。結(jié)果表明，差頻結(jié)構(gòu)可濾去絕大部分影響，以至將溫度的影響完全抑制在精度的允許范圍內(nèi)。

　　本電路的目的是為本實驗室新一代傳感器提供一個讀出接口。通過前期對傳感器的準確測試，傳感器的基本電容約為10 pF，變化從7 pF到14 pF。該電路的參考電容值為14.5 pF，為了使傳感器一級輸出頻率大于參考頻率并滿足2fd／3

　　4? 結(jié)束語

　　通過SPICE仿真，可以看出，改進后的電路結(jié)構(gòu)滿足了提出的各項目標。由于該電路是用頻率的變化反映敏感電容的變化，具有準數(shù)字輸出的特點，只要用一個計數(shù)功能的單片機，即可實現(xiàn)信號的采集。

　　工藝的波動會對電路的電容-頻率轉(zhuǎn)換特性產(chǎn)生影響，從而引起流片結(jié)果個體間的差異。因此，必須對每個傳感器分別定標，這樣，工藝的波動才不會使單個傳感器產(chǎn)生偏差。