0引言
电容式传感器是将被测的非电量变化转换为电容量变化的一类传感器,由于它具有灵敏度高、功耗低、温度漂移小等优点,因此广泛应用在压力、湿度、温度和加速度等测量中。MEMS(微电子机械系统)传感器体积小的特点决定了敏感电容器的电容值不可能大,一般为pF量级,而由这些物理量引起的微电容的变化更加微小,一般为fF甚至aF量级。如此小的变化量对检测电路的设计是一个挑战。传统的用分立元件搭制检测电路的方法将无法适应传感器电容不断减小的趋势,因此设计匹配的接口集成电路是十分必要的。常用的低值电容测量电路都是把电容的变化转变为电压或频率。目前大多数国外MEMS传感器厂家采用开关电容电路作为电容信号的接口。这一电路的特点是精度高、可实现与传感器的高度集成,但电路结构相对复杂,对于工艺精度要求较高。其次是采用振荡法将敏感电容变化转换为频率或周期,电路简单,易于实现,输出的频率信号具有准数字输出的特点,便于测量。本文介绍的电路正是基于这种原理。

1微电容检测

已推导的基于施密特触发器检测电容的方法不同,为了避免输出频率受电源电压、温度变化和工艺波动的影响,本实验室开发的微电容式传感器检测电路在张弛振荡器的基础上设计了一种差频电路,其模块示意图如图1所示。本文对敏感电容检测电路的流水芯片进行了测试和分析,并搭建了图1所示结构的整个电路,仿真并测试了该电路的温漂特性。

2接口电路的分析与改进

2.1振荡器电路

图2是本实验室已经流片的敏感电容振荡电路。该电路由开启电路、恒流源、CMOS开关、施密特触发器以及反相器组成。

由图3和图4可见,该电路实现了输出波形的频率与敏感电容的变化成反比的关系,从振荡器的输出端读取频率完全可以检测到传感器电容的变化。但是存在两个问题：一是输出频率过大,不方便单片机读数；二是输出频率仍然受电源电压、温度变化和工艺波动的影响。

2.2差频电路

在检测电路中利用D触发器实现差频功能。D触发器为下降沿触发的CMOS主从触发器。敏感电容转换的波形从D端输入,参考电容转换的波形从CK端输入,输出为两个波形的频率之差。这样可以提高电路的灵敏度,改善单边电路的温度、电源电压抑制等对电路性能的影响。

下面分析D触发器的差频原理。由前面设定的条件,信号频率大于时钟频率,定义输入信号的周期与时钟信号的周期之差为△T,即

首先假设存在一个整数,使得各方波之间满足以下关系：


在t0刻,Vin和Vck同为下降沿,Vout应跟随Vck的原状态输出高电平。那么,由△T=Tin-Tck,在Vck第2个下降沿到来时,比Vin的第2个下降沿要迟一个△T,此时Vin为高电平。由下降沿触发的D触发器的真值表(见表1)可知,此时Vout必输出低电平,见图5。
 

经n个周期,使得(n-1)△T≤Tin/2,n△T>Tin/2时,Vck下降时Vin为高电平,输出跳变为高电平。经过λTck的时间,Vin比Vck多走了一个周期,再次同时达到下降沿,但Vout仍为输出高电平。(λ+1)Tck时,Vck下降沿到来,此时Vin为高电平。Vout再次跳变到低电平。取两次Vout下降沿的距离作为Vout的周期,得