MEMS電容式傳感器接口集成電路研究.pdf

1、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，它廣泛應(yīng)用在壓力、濕度、溫度和加速度等測量中。隨著微電子機械系統(tǒng)(MEMS)設(shè)計與加工技術(shù)的不斷進步，已研制出包括微型壓力傳感器、濕度傳感器、加速度計，化學和生物傳感器等產(chǎn)品。在國內(nèi)，尚無成熟的電容傳感器接口集成電路投入市場。對于MEMS微電容傳感器，采用傳統(tǒng)的分立元件搭制接口電路將無法滿足精度要求，因此設(shè)計匹配的接口集成電路是十分必要的。本文分析了國外微電容傳感器的處理電路

2、的典型形式，比較了各種微電容測量電路的特點，選擇了電容——頻率轉(zhuǎn)化電路作為本實驗室的氣壓和濕度傳感器提供檢測的接口集成電路形式。 本文在優(yōu)化實驗室2002年開發(fā)的濕度傳感器接口電路的基礎(chǔ)上，提出了一種新穎的電路形式，通過對兩頻率求差來抑制各種共模干擾。對原電路進行了功能測試，歸納其性能不理想的表現(xiàn)、提取電路的參數(shù)、分模塊再仿真，找出了不理想的原因。在此基礎(chǔ)上，重新設(shè)計各模塊的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，優(yōu)化各功能模塊的特性，以使整體性能達到最優(yōu)

3、。提出了六管Schmitt觸發(fā)器的修正設(shè)計公式，使得高低閾值電平更加符合設(shè)計值。為了滿足不同電容值的傳感器，同時為了克服頻率輸出受溫度、電源波動等干擾的影響，論文提出了頻率處理電路的設(shè)計。采用一定的電路將不同的頻率輸出范圍統(tǒng)一到某一帶寬內(nèi)。創(chuàng)新點在于參考頻率振蕩器的設(shè)計，參考頻率和信號頻率隨溫度等參數(shù)有相同的變化趨勢，兩頻率相減抵消了這些影響。采用Pspice電路仿真工具對全電路溫度、電源和工藝敏感性進行模擬，結(jié)果表明，與單級振蕩器比較

4、，這種電路結(jié)構(gòu)使得電源波動、工藝波動和溫度的影響分別減少了97﹪、80﹪和77﹪，設(shè)計靈敏度達到60Hz/fF。 本文采用Tanner<'TM>L-edit軟件完成了版圖設(shè)計。在設(shè)計中，充分考慮到與MEMS電容傳感器工藝兼容，選擇采用CMOS工藝線，實現(xiàn)傳感器和處理電路的芯片集成。對電路的關(guān)鍵器件的版圖設(shè)計進行闡述。充分考慮了布局布線對模擬電路的影響，完成了DRC文什、版圖參數(shù)提取文件等必要的版圖設(shè)計的輔助文檔，通過后仿真驗證了

5、版圖與原理圖的一致性。 電路的制備采用2μmP阱單層金屬工藝，在電子科技集團58所流片成功。給出了工藝參數(shù)和各主要模塊的測試條件和測試結(jié)果。結(jié)果表明Schmitt觸發(fā)器、比較器等核心器件性能符合設(shè)計指標。給出了在不同參數(shù)條件下的電容——頻率曲線，分析了外接電阻對輸出信號頻率與占空比的影響。電源波動等因素對頻率輸出基本無影響。最終得到的電路靈敏度為3Hz/fF，同時對于實際靈敏度小于設(shè)計靈敏度的原因給出了分析。 本文最后闡