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MEMS高線性電容式E+E壓力傳感器檢測電路優(yōu)化
近年來隨著MEMS傳感器技術(shù)的飛躍和進(jìn)步,微電容傳感器在工藝上實(shí)現(xiàn)了易于集成化、功能多樣化以及更加微型化。使得包括微型加速度計(jì)、微型溫度傳感器、微型E+E壓力傳感器、醫(yī)學(xué)傳感器、生物傳感器等得到廣泛應(yīng)用。其中,基于MEMS技術(shù)的電容式E+E壓力傳感器具有高穩(wěn)定性和高靈敏度,其結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固,能實(shí)現(xiàn)良好的線性度。

MEMS高線性電容式E+E壓力傳感器檢測電路優(yōu)化
項(xiàng)目組基于MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)研制了一種新型高線性電容式E+E壓力傳感器,可實(shí)現(xiàn)良好的線性度和靈敏度。微電容式E+E壓力傳感器在微機(jī)電系統(tǒng)中起著檢測和轉(zhuǎn)變各種非電量信號的作用,它必須具有良好的穩(wěn)定性和靈敏度。其中檢測得來的非電量信號在轉(zhuǎn)化成微電量信號后,其微電量信號的讀取成為了重要環(huán)節(jié)。因此微電容傳感器接口電路的設(shè)計(jì)具有十分重要的實(shí)際應(yīng)用的意義,也是整個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)的重點(diǎn)之一。詳細(xì)介紹了用于微電容檢測的五種方法,并比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn),根據(jù)采集信號的準(zhǔn)確性和抗干擾性選擇了采用開關(guān)電容法和電容-頻率轉(zhuǎn)化電路兩種方法,作為上述新型高線性電容式E+E壓力傳感器接口電路的形式。在開關(guān)電容法中,采用差頻輸入方式,提高輸出電壓的線性度；同時(shí)采用斬波穩(wěn)定技術(shù)設(shè)計(jì)了微電容讀出電路,降低了電路功耗,提高噪聲性能。并對斬波電路的各個(gè)模塊進(jìn)行了電路級別仿真驗(yàn)證,用Candence Spectre對整體電路驗(yàn)證得到精確到aF級的微電容。仿真結(jié)果顯示輸出電壓和電容量均保持良好的線性度,在5V的電源電壓下實(shí)現(xiàn)低功耗,約為2.232mW,失調(diào)電壓僅為0.22mV,靈敏度達(dá)到0.58mV/aF。在功耗性能上較其他MEMS傳感器的研究得到提高。在電容-頻率轉(zhuǎn)化法中,提出了差頻電路消除共模干擾,由于參考頻率和傳感器輸出的信號頻率具有相同的工藝性能和溫度性能,因此兩頻率之差可zui大程度的消除共模干擾。通過Candence仿真驗(yàn)證,輸出方波占空比達(dá)到50%。在原有的六管Schmitt觸發(fā)器基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了改進(jìn)型的Schmitt觸發(fā)器,減少輸入端口寄生電容的同時(shí),使得閾值電平的調(diào)整更加方便。在自偏置恒流源的設(shè)計(jì)上,提出了三支路負(fù)反饋系統(tǒng)的基準(zhǔn)電流源。zui后為提高接口電路的靈敏度,設(shè)計(jì)了并聯(lián)一個(gè)負(fù)電容至傳感器敏感電容,并通過仿真驗(yàn)證可行,設(shè)計(jì)靈敏度達(dá)到25HZ/fF。采用了課題組設(shè)計(jì)的高線性硅基E+E壓力傳感器,作為接觸式E+E壓力傳感器的創(chuàng)新形式,必須研發(fā)與之匹配的檢測電路系統(tǒng)。

MEMS高線性電容式E+E壓力傳感器檢測電路優(yōu)化
采用斬波穩(wěn)定技術(shù)讀出電路設(shè)計(jì)和電容---頻率轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì),相較于同類讀出電路都具有較高的靈敏度可相對簡單的電路形式。論文中研究工作,不僅滿足了新型MEMS傳感器對性能的要求,對于微電容檢測電路的研究和發(fā)展提供了有益的參考和價(jià)值。