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0引言
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，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)。如此小的變化量對檢測電路的設(shè)計(jì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的用分立元件搭制檢測電路的方法將無法適應(yīng)傳感器電容不斷減小的趨勢，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)國外MEMS傳感器廠家采用開關(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)相對復(fù)雜，對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)，便于測量。本文介紹的電路正是基于這種原理。
1微電容檢測
已推導(dǎo)的基于施密特觸發(fā)器檢測電容的方法不同，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)室開發(fā)的微電容式傳感器檢測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。本文對敏感電容檢測電路的流水芯片進(jìn)行了測試和分析，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。該電路由開啟電路、恒流源、CMOS開關(guān)、施密特觸發(fā)器以及反相器組成。
由圖3和圖4可見，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到傳感器電容的變化。但是存在兩個(gè)問題：一是輸出頻率過大，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。
2.2差頻電路
在檢測電路中利用D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)差頻功能。D觸發(fā)器為下降沿觸發(fā)的CMOS主從觸發(fā)器。敏感電容轉(zhuǎn)換的波形從D端輸入，參考電容轉(zhuǎn)換的波形從CK端輸入，輸出為兩個(gè)波形的頻率之差。這樣可以提高電路的靈敏度，改善單邊電路的溫度、電源電壓抑制等對電路性能的影響。
下面分析D觸發(fā)器的差頻原理。由前面設(shè)定的條件，信號(hào)頻率大于時(shí)鐘頻率，定義輸入信號(hào)的周期與時(shí)鐘信號(hào)的周期之差為△T，即
首先假設(shè)存在一個(gè)整數(shù)，使得各方波之間滿足以下關(guān)系：
在t0刻，Vin和Vck同為下降沿，Vout應(yīng)跟隨Vck的原狀態(tài)輸出高電平。那么，由△T=Tin-Tck，在Vck第2個(gè)下降沿到來時(shí)，比Vin的第2個(gè)下降沿要遲一個(gè)△T，此時(shí)Vin為高電平。由下降沿觸發(fā)的D觸發(fā)器的真值表(見表1)可知，此時(shí)Vout必輸出低電平，見圖5。
經(jīng)n個(gè)周期，使得(n-1)△T≤Tin／2，n△T>Tin／2時(shí)，Vck下降時(shí)Vin為高電平，輸出跳變?yōu)楦唠娖�。�?jīng)過λTck的時(shí)間，Vin比Vck多走了一個(gè)周期，再次同時(shí)達(dá)到下降沿，但Vout仍為輸出高電平。(λ+1)Tck時(shí)，Vck下降沿到來，此時(shí)Vin為高電平。Vout再次跳變到低電平。取兩次Vout下降沿的距離作為Vout的周期，得
