利用差頻電路實(shí)現(xiàn)微電容式傳感器檢測(cè)電路的溫漂抑制

　0引言
　電容式傳感器是將被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一類(lèi)傳感器，由于它具有靈敏度高、功耗低、溫度漂移小等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用在壓力、濕度、溫度和加速度等測(cè)量中。MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))傳感器體積小的特點(diǎn)決定了敏感電容器的電容值不可能大，一般為pF量級(jí)，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(jí)。如此小的變化量對(duì)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的用分立元件搭制檢測(cè)電路的方法將無(wú)法適應(yīng)傳感器電容不斷減小的趨勢(shì)，因此設(shè)計(jì)匹配的接口集成電路是十分必要的。常用的低值電容測(cè)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(guó)外MEMS傳感器廠家采用開(kāi)關(guān)電容電路作為電容信號(hào)的接口。這一電路的特點(diǎn)是精度高、可實(shí)現(xiàn)與傳感器的高度集成，但電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)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(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，輸出的頻率信號(hào)具有準(zhǔn)數(shù)字輸出的特點(diǎn)，便于測(cè)量。本文介紹的電路正是基于這種原理。

　　1微電容檢測(cè)

　　已推導(dǎo)的基于施密特觸發(fā)器檢測(cè)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(dòng)的影響，本實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的微電容式傳感器檢測(cè)電路在張弛振蕩器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種差頻電路，其模塊示意圖如圖1所示。本文對(duì)敏感電容檢測(cè)電路的流水芯片進(jìn)行了測(cè)試和分析，并搭建了圖1所示結(jié)構(gòu)的整個(gè)電路，仿真并測(cè)試了該電路的溫漂特性。

　　2接口電路的分析與改進(jìn)

　　2.1振蕩器電路

　　圖2是本實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)流片的敏感電容振蕩電路。該電路由開(kāi)啟電路、恒流源、CMOS開(kāi)關(guān)、施密特觸發(fā)器以及反相器組成。

　　由圖3和圖4可見(jiàn)，該電路實(shí)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(cè)到傳感器電容的變化。但是存在兩個(gè)問(wèn)題：一是輸出頻率過(guò)大，不方便單片機(jī)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(dòng)的影響。