單片集成MEMS電容式壓力傳感器接口電路設(shè)計(jì)

1 引 言

單片集成是MEMS傳感器發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，將傳感器結(jié)構(gòu)和接口電路集成在一塊芯片上，使它具備標(biāo)準(zhǔn)IC工藝批量制造、適合大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，在降低了生產(chǎn)成本的同時(shí)還減少了互連線尺寸，抑制了寄生效應(yīng)，提高了電路的性能。本文介紹的單片集成電容式壓力傳感器，傳感器電容結(jié)構(gòu)由多晶硅／柵氧／n阱硅構(gòu)成，并通過(guò)體硅腐蝕和陽(yáng)極鍵合等后處理工藝完成了電容結(jié)構(gòu)的釋放和腔的真空密封。接口電路基于電容一頻率轉(zhuǎn)化電路，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并通過(guò)“差頻”，消除了溫漂和工藝波動(dòng)的影響，具有較高的精度。

2 接口電路原理及特性

接口電路原理圖和流水芯片照片如圖1所示。該電路由兩部分組成：電容一頻率轉(zhuǎn)化電路和差頻電路。本電路采用張馳振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)電容-頻率轉(zhuǎn)化。張馳振蕩器由電流源、CMOS傳輸門、施密特觸發(fā)器構(gòu)成。電路分為充電周期和放電周期。工作原理如下：假設(shè)最初Vout高電平，則開關(guān)S11閉合，S12斷開，電路進(jìn)入充電周期，電流源I對(duì)Cs進(jìn)行充電，當(dāng)Cs上的電壓Vcs充電至施密特觸發(fā)器高閾值電平VH時(shí)，施密特觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，Vout變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)S11斷開，S12閉合，電路進(jìn)入放電周期，電流源對(duì)Cs進(jìn)行放電，當(dāng)電容上電壓Vcs下降到施密特低閾值電平VL時(shí)，輸出再次翻轉(zhuǎn)，Vout變?yōu)楦唠娖剑娐酚诌M(jìn)入充電周期。如此循環(huán)，該部分電路輸出一列頻率與電容Cs相關(guān)的方波，實(shí)現(xiàn)了電容-頻率的轉(zhuǎn)化。為了實(shí)現(xiàn)差頻功能，引進(jìn)了參考電容Cr，并通過(guò)相同的G-f電路完成參考電容到參考頻率fs的轉(zhuǎn)化。D觸發(fā)器則用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率fs與參考頻率fr的差值，實(shí)現(xiàn)差頻電路功能。接口電路最后輸出頻率

        式中：Cs為壓力傳感器敏感電容；Cr為參考電容；I為充放電電流；VH，VI分別為施密特觸發(fā)器的高、低閾值電平。

        使用Pspice對(duì)電路特性進(jìn)行模擬，圖2給出了接口電路的誤差特性曲線。從圖2中可以看出：參考頻率為100 kHz左右時(shí)，電路輸出相對(duì)誤差較??；參考頻率與傳感器頻率之差越小，電路的輸出精度越高。設(shè)計(jì)電路時(shí)，通過(guò)調(diào)整充放電電流I，使得參考頻率工作在100 kHz左右，同時(shí)通過(guò)合理設(shè)置參考電容Cr的大小，使得傳感器頻率和參考頻率差值盡可能小，以保證電路獲得較高精度。

        綜合考慮芯片面積、傳感器靈敏度和功耗因素，傳感器敏感電容設(shè)計(jì)為800 μm×800μm，初值電容為1104 pF，壓力測(cè)量范圍為80～110 kPa，在該量程內(nèi)，傳感器電容由1207.4 pF變化到1220.5 pF。參考電容設(shè)計(jì)為1222 pF，以保證參考頻率和傳感器頻率差值盡可能小。充放電電流設(shè)計(jì)值為400μA，使得參考頻率fs工作在100 kHz附近(見式(1))。為保證電路具有較高的噪聲容限，施密特觸發(fā)器的高低閾值電平設(shè)計(jì)為VH=3V，VL=1V，圖3仿真了量程范圍內(nèi)電容響應(yīng)曲線及接口電路輸出頻率。芯片在無(wú)錫58所1 μm工藝線流水，見圖1(b)。

        3 接口電路測(cè)試及分析

        施密特觸發(fā)器和D觸發(fā)器是電容接口電路的核心模塊，對(duì)上述電路進(jìn)行功能測(cè)試的結(jié)果如下：

        圖4(a)給出了施密特觸發(fā)器的傳輸特性，由圖4得到施密特觸發(fā)器低閾值電平VL=1.1 V、高閾值電平VH=3.05 V，與設(shè)計(jì)值基本符合。

        圖4(b)給出了D觸發(fā)器的測(cè)試結(jié)果，在fd=100.1 kHz，fck=98.04 kHz條件下，輸出頻率fout=2.06 kHz，fout與(fd-fck)=2.062(kHz)的值近似。表1給出了對(duì)應(yīng)于幾組不同的fd和fck差頻電路的測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明，差頻電路在符合2／3fd

        對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，將傳感器電容轉(zhuǎn)化后的頻率與參考電容轉(zhuǎn)化后的頻率值滿足以上條件，可以獲得較高的精度。

        4 結(jié) 論

        本文介紹了一種基于電容一頻率轉(zhuǎn)化原理的電容接口電路，仿真和測(cè)試結(jié)果均表明，通過(guò)差頻，電路可以獲得較高的精度。同時(shí)較大的傳感器初值電容(1104 pF)有利于抑制寄生電容的影響，為接口電路設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便。在80～110 kPa壓力范圍內(nèi)，接口電路的分辨率約為3.77 Hz／hPa。