用于壓力傳感器電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究與設計.pdf

1、基于MEMS技術(shù)的壓力傳感器廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、流速等的測量。壓阻式和電容式MEMS壓力傳感器是兩種常見類型的壓力傳感器。與壓阻式壓力傳感器相比，電容式壓力傳感器受溫度變化的影響較小。為了易于使用，具有數(shù)字輸出的電容型壓力傳感器有巨大的需求。
　　在壓力傳感器中，檢測電容變化的方法有很多，如電容轉(zhuǎn)電壓(C/V)、電容轉(zhuǎn)時間(C/T)等。傳統(tǒng)的方法是將電容的變化量轉(zhuǎn)化成電壓的變化量，然后利用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將其量化

2、成數(shù)字輸出。然而用這種方法輸出的電壓非常容易受電路固有噪聲以及環(huán)境噪聲的影響。直接將電容轉(zhuǎn)換為時間可以很好的避免傳統(tǒng)方法的問題，但是采用該方法受限于數(shù)字計數(shù)器的位寬，導致輸出的分辨率不高。
　　本文中提出了一種用于MEMS壓力傳感器電容轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的新穎的方法。將傳感器電容的變化量轉(zhuǎn)換為時間的差值，然后采用數(shù)字位增加技術(shù)實現(xiàn)高分辨率和高線性度的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換過程通過四個模塊，即電容時間轉(zhuǎn)換器(CTC)、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TD

3、C)、數(shù)字控制模塊，最后是數(shù)字位增加模塊。與當前傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)的分辨率相比，使用該技術(shù)的傳感器的分辨率改善非常大。而且使用該技術(shù)的系統(tǒng)不受電源電壓變化的影響以及能適應較寬的輸入范圍。使用標準0.25μm CMOS技術(shù)實現(xiàn)一個MEMS電容式壓力傳感器讀出電路，其輸入信號的帶為100Hz，標稱電容值為24pF，全范圍電容變化為8pF。仿真結(jié)果顯示該系統(tǒng)可檢測最小電容值為3.9aF，分辨率為21位，線性度為3.908ppm。芯片的面積1.06