官泳華

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，四川遂寧629000）

基于MEMS的電容式傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

官泳華*

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，四川遂寧629000）

為了提高M(jìn)EMS（Micro-electro-mechanical Systems）微機(jī)電系統(tǒng)電容式傳感器測(cè)量低電容的靈敏度，提出了一種MEMS電容式傳感器調(diào)理電路，并采用絕緣硅片（SOI）MEMS電容式加速度傳感器組成了完整的電容測(cè)量系統(tǒng)。該信號(hào)調(diào)理電路采用了一組片上電容陣列用以抵消電容結(jié)構(gòu)的失配。并且采用可調(diào)的方形波發(fā)生器來(lái)調(diào)諧系統(tǒng)的靈敏性，以此彌補(bǔ)電子裝置制成后產(chǎn)生的變化。電路采用0.18-μm CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)并制成，測(cè)量結(jié)果顯示，提出的測(cè)量系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測(cè)量到MEMS傳感器的電容變化以及加速度，證明了信號(hào)調(diào)理電路的正確性和精確性。

電容測(cè)量；微機(jī)電系統(tǒng)；信號(hào)調(diào)理電路；電容陣列

目前，MEMS傳感器以其小型化，低成本，高性能特點(diǎn)，以及易于集成CMOS電路深受廣泛的青睞［1］。在不同類型的MEMS傳感器中，電阻式和電容式傳感器是最普遍的類型，應(yīng)用范圍廣。電容式傳感器與電阻式傳感器相比具有高靈敏度、低溫度系數(shù)和低功耗的優(yōu)勢(shì)［2］。電容式壓力傳感器和加速度傳感器是目前市場(chǎng)中最成功的微型傳感器。此類傳感器被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子，生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)，以及汽車和空間領(lǐng)域中，但主要問題是來(lái)自寄生電容器和電磁干擾的影響［3］。

盡管MEMS比較適合CMOS電路集成，但是絕緣體硅片（SOI）式傳感器更應(yīng)是首選，因?yàn)樗菀讓?shí)現(xiàn)可移植的結(jié)構(gòu)。MEMS電容式傳感器的尺寸小，與傳統(tǒng)類型的電容式傳感器相比，它的額定電容量以及電容變化更小。SOI MEMS型傳感器的額定電容量的范圍是在幾皮法拉內(nèi)，電容量的變化范圍在幾百個(gè)千萬(wàn)億分之一法拉內(nèi)。盡管電容式傳感器按照差分結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置，以消除常見的差異并達(dá)到較大的靈敏度，但是在可比較的寄生效應(yīng)下，檢測(cè)微小的電容是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。差分結(jié)構(gòu)下的電容失配也會(huì)產(chǎn)生問題。此外，集成電路（IC）也應(yīng)配有適當(dāng)?shù)目删幊绦院驼{(diào)諧選項(xiàng)，以消除制作后產(chǎn)生的差異，同時(shí)保證系統(tǒng)在不同條件下具有靈活性和多功能性。文獻(xiàn)［4-6］提出了不少檢測(cè)電容變化的電路結(jié)構(gòu)。這些電路主要有兩種基本結(jié)構(gòu)：（1）差分電壓結(jié)構(gòu)；（2）電荷放大器結(jié)構(gòu)。一般而言，在兩種情況下，差分電壓結(jié)構(gòu)作為首選，因?yàn)樗胶饬似胀Ｊ降牟町惒⒕哂懈叩撵`敏性。在差分結(jié)構(gòu)中，如果一個(gè)電容器增大，那么另外一個(gè)電容器將減小，同時(shí)電容差將產(chǎn)生輸出。在差分電壓模式結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)不同相的方波激活了傳感電容并且調(diào)整輸入信號(hào)。這種調(diào)整完的輸入信號(hào)將被緩沖，放大，解調(diào)，濾波，用以產(chǎn)生所需的輸出。這種調(diào)幅和解調(diào)，就是眾所周知的斬波穩(wěn)態(tài)，它提高了輸出時(shí)低頻噪聲性能并且也減少了偏移［7-8］。在電荷放大器結(jié)構(gòu)中，電容的變化轉(zhuǎn)換成了等效電荷，并利用反饋電容轉(zhuǎn)換成電壓。在這種結(jié)構(gòu)中，寄生電容產(chǎn)生的效果相對(duì)少于電壓模式結(jié)構(gòu)，因?yàn)閭鞲衅鬏敵龉?jié)點(diǎn)根據(jù)電容的變化來(lái)連接固定的電位和輸出的。

收稿日期：2015-07-01修改日期：2015-08-02

目前，雙采樣開關(guān)電容式電荷放大器結(jié)構(gòu)也被廣泛地使用［9］。然而，大多數(shù)電路的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜（因?yàn)闀r(shí)鐘電路圖復(fù)雜），并要求配備片上參考電容，而且電路的結(jié)構(gòu)也受到電荷注入的影響［10］。此外，測(cè)量電路必須具有充足的調(diào)諧選項(xiàng)以應(yīng)對(duì)傳感器以及裝置制作后電路本身的變化［11］。

本文設(shè)計(jì)一種具有可調(diào)靈敏度的MEMS電容式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路，有效地實(shí)現(xiàn)了低電容的高精度測(cè)量。在PCB板上將提出的信號(hào)調(diào)理電路集成SOI MEMS加速度傳感器組成了完整的電容測(cè)量系統(tǒng)。整套電路采是0.18-μm CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)并制成。并通過測(cè)量證明了該信號(hào)調(diào)理電路的正確性和精確性。

1　電容式傳感系統(tǒng)

圖1顯示了電容傳感器系統(tǒng)的總體框架圖。系統(tǒng)主要由兩個(gè)主要元件構(gòu)成：（1）傳感器；（2）信號(hào)調(diào)理電路。兩個(gè)元件必須集成，形成一個(gè)完整的電容測(cè)量系統(tǒng)?，F(xiàn)代的電容傳感器系統(tǒng)運(yùn)用了一個(gè)MEMS傳感器感應(yīng)輸入和一個(gè)專用集成電路（ASIC）來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)。這種集成可以放在兩個(gè)封裝元件PCB上，稱為PCB集成。雖然單片集成具備了最佳的性能，但它需要一個(gè)特定的制作工藝，因而會(huì)增加該裝置的成本。

圖1　電容式傳感系統(tǒng)模塊示意圖

另一方面，PCB集成提供了一個(gè)低成本的方案，絲毫不影響系統(tǒng)的性能。圖2顯示了典型的電容式傳感器系統(tǒng)詳圖。在這種配置中，傳感器按照差分模式結(jié)構(gòu)并通過兩個(gè)不同相方形波信號(hào)激活。隨著電容的差異，輸出的方形波的幅度發(fā)生變化。事實(shí)上，方波驅(qū)動(dòng)是由輸入信號(hào)調(diào)節(jié)的，在這種情況下視為電容（ΔC）發(fā)生了變化。這個(gè)輸出將被緩沖和放大。然后通過相敏解調(diào)器解調(diào)，放大和濾波，進(jìn)一步達(dá)到可利用的輸出。本文中，我們實(shí)現(xiàn)了保持電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的差分電壓模式結(jié)構(gòu)，這樣可以容易地與MEMS電容式傳感器集成。此外，我們納入了多種調(diào)諧使系統(tǒng)更加靈活。

2　信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

圖2顯示了信號(hào)調(diào)理電路圖，包括一個(gè)輸入接口的緩沖器，前置放大器，一個(gè)單位增益反相放大器，相敏解調(diào)器，低通濾波器，輸出放大器和一個(gè)可調(diào)的方波時(shí)鐘發(fā)生器。

圖2　差分結(jié)構(gòu)下電容式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)框圖

圖3顯示了傳感器輸入接口電路。如前所述，電容式傳感器以差分模式結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共模抑制和高靈敏度。在該圖中，CS1和CS2為感應(yīng)電容。由于傳感參數(shù)可能選擇加速度，壓力等等原因，所以當(dāng)一個(gè)電容器的電容增大時(shí)，其他的電容則降低。在傳感節(jié)點(diǎn)上，CP為寄生電容和RB是開機(jī)電阻器，以保證傳感節(jié)點(diǎn)處在所要求的直流電位置上。通過RB的電流應(yīng)低到可以設(shè)置直流偏置的位置，而不影響傳感節(jié)點(diǎn)輸出。因此，RB必須大于感應(yīng)電容的電阻抗［3］。

圖3　傳感器和ASIC輸入界面。

其中 fVs為主激勵(lì)信號(hào)的頻率。寄生電容CP降低了傳感節(jié)點(diǎn)上的信號(hào)強(qiáng)度，因此，它始終被要求降低或減少該電容效應(yīng)，獲得更好的靈敏性［7］。傳感節(jié)點(diǎn)上的輸出VX和緩沖輸出VOUT可以表示為：

其中，VS為方波激勵(lì)信號(hào)的振幅峰值。

在式（2）中，如果CP=2ΔC，那么信號(hào)VX將被因子2減弱，從而降低了靈敏度。在基于MEMS的傳感器中，基板電容的傳感節(jié)點(diǎn)（VX）構(gòu)成了CP的最大值。為了降低這種寄生效應(yīng)，我們把傳感器基板連接在緩沖輸出上，以使通過電容器的電位差VOUT為零，從而導(dǎo)致有效電容變?yōu)榱??？紤]到前置放大器的增益（GP）和輸出放大器的增益（GO），ASIC的最終輸出可以寫為：

2.1信號(hào)調(diào)理電路元件設(shè)計(jì)

輸入接口緩沖器指的是傳感器和ASIC之間的接口。因此，它必須是低噪聲和低偏移的，并且柵源寄生電容要小，因此，我們使用了一個(gè)負(fù)反饋輸入差級(jí)的二階運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)接口的緩沖。圖4顯示了緩沖器的示意圖。PMOS晶體管的閃變效應(yīng)噪音比NMOS晶體管小。此外，PMOS晶體管可以用單獨(dú)散體連接，最大限度地降低了柵源寄生電容。

圖4　輸入接口緩沖區(qū)器

放大器中差分傳感器的緩沖輸出被放大，同時(shí)由于此原因，運(yùn)算式的放大器將用來(lái)當(dāng)做一個(gè)前置放大器使用。前置放大器是一個(gè)單位增益反相放大器，也是一個(gè)輸出放大器。偏置電流設(shè)置在 100 μA，以達(dá)到 55 dB直流增益。當(dāng)相位容限約75°左右時(shí)，3-dB的帶寬則近似10 MHz。這些參數(shù)確保了具有低偏移和穩(wěn)輸出特性的輸入信號(hào)，能夠得到適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)大。前置放大器是一個(gè)可編程增益的同相放大器。圖5顯示了緩沖器的示意圖。反饋電阻是隨著增益選擇引腳而發(fā)生變化的，而輸入電阻保持不變。通過兩個(gè)控制引腳，可以選擇4個(gè)增益級(jí)（5，10，15，20）中的其中一個(gè)。單位增益反相放大器將相位解調(diào)器所需的前置信號(hào)的相位轉(zhuǎn)換，用作相位檢測(cè)。輸出放大器是一個(gè)同相4級(jí)增益（3，5，10，15）的放大器，它可以通過另外兩個(gè)控制引腳選擇。因此，最大增益300和最小增益 15可以通過不同的控制引腳來(lái)組合選擇。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)輸入信號(hào)的強(qiáng)度和輸出信號(hào)的要求，來(lái)選擇整體增益。

圖5　可編程放大器

解調(diào)器包含由激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的兩個(gè)不同相的時(shí)鐘運(yùn)行的開關(guān)。傳輸門電路作為開關(guān)使用，以降低電荷注入，減少較大電壓空間。解調(diào)器的輸出是通過一個(gè)低通濾波器去除高頻噪聲和尖峰值的。這里，我們使用了一個(gè)截止頻率為10 kHz的二階Sallen-Key型低通濾波器。濾波器提供了一個(gè)穩(wěn)定的輸出，這個(gè)輸出被輸出放大器進(jìn)一步放大。圖6和圖7分別顯示了濾波器和解調(diào)器。

圖6　低通濾波器

圖7　解調(diào)器原理圖

由于編制工藝不標(biāo)準(zhǔn)，尺寸相對(duì)微小以及傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征，微傳感器的設(shè)計(jì)參數(shù)在封裝完成后發(fā)生了偏離。因此，差分模式下的傳感器在兩種傳感電容器之間額定電容不匹配。如果測(cè)量前不彌補(bǔ)這種不匹配，這種不匹配將被視為導(dǎo)致誤測(cè)的差分電容。為了實(shí)現(xiàn)消除這種誤差，片上電容器陣列已納入了ASIC范圍內(nèi)。該陣列的電容器，是一套并聯(lián)電容器，利用開關(guān)連接，通過外部控制引腳進(jìn)行選擇。此外，在沒有任何實(shí)物的傳感器情況下，片上電容器也可以用來(lái)測(cè)試信號(hào)調(diào)理電路，內(nèi)部解碼的外部控制位塊是用來(lái)選擇片上電容器的。首先，通過選擇電容器，輸入了零傳感平衡差分結(jié)構(gòu)。在均衡狀態(tài)下，ASIC的輸出位置應(yīng)處在供電電源電壓的中間位置（VDD/2）上，它是共模電壓的輸出。在平衡情況下，這些控制位也可以存儲(chǔ)在ASIC儲(chǔ)器內(nèi)。圖8顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的電容陣列圖。

圖8　片上電容陣列

可調(diào)方波時(shí)鐘發(fā)生器為傳感器提供了激勵(lì)信號(hào)，并為解調(diào)器提供了時(shí)鐘信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路的方波發(fā)生器具有靈活性，使用外部調(diào)諧電壓獨(dú)立控制幅度和頻率［11］。這種可調(diào)性，不僅對(duì)于抑制傳感器的結(jié)構(gòu)的變化是非常重要的，而且對(duì)于抑制封裝后集成電路影響也是重要的。完全片上方波發(fā)生器是一種以運(yùn)算互導(dǎo)放大器（OTA）為基礎(chǔ)的施密特觸發(fā)器，它利用了施密特觸發(fā)器的高線性O(shè)TA來(lái)調(diào)節(jié)振幅和頻率。盡管OTA的直流增益小于（≈30 dB）傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器，OTA的帶寬是比較大的。在我們的設(shè)計(jì)中，OTA的帶寬超過了20 MHz為產(chǎn)生高達(dá)1 MHz的帶寬方波提供支持。該發(fā)生器提供了兩種不同相的方波，用于調(diào)制器的兩個(gè)不同相時(shí)鐘激勵(lì)。方波的振幅和頻率通過使用外部調(diào)諧電壓調(diào)節(jié)。圖9顯示了發(fā)生器的方框圖。方波的幅值可以調(diào)制為Ib2和Ib4，保持R1和R3不變。Ib2和R1必須分別等于Ib4和R3，以便實(shí)現(xiàn)同幅度不同相的方波信號(hào)。同樣的，在C和R2保持不變的情況下，所產(chǎn)生的信號(hào)頻率可以由Ib1和R3調(diào)節(jié)。低值電容器CS1和CS2之間增加了芯片電容器以消除差異。在該集成電路中，有6個(gè)控制位用于選擇片上電容器，最大值為1.6 pF且分辨率為25 fF。除了這些電路模塊，集成電路還包括一個(gè)偏壓發(fā)生器電路，為不同模塊提供偏壓電流，并產(chǎn)生900 mV的參考電壓，該信號(hào)調(diào)理集成電路運(yùn)用了0.18 μm CMOS工藝設(shè)計(jì)并制作。圖10顯示了編制完成后的芯片顯微照片。

圖9　方波時(shí)鐘發(fā)生器原理圖

圖10　封裝后的ASIC顯微圖象

3　SOI MEMS加速計(jì)集成

本文目的是實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理電路與電容加速度傳感器集成，構(gòu)建成的一個(gè)集成的電容測(cè)量系統(tǒng)。為了達(dá)到這個(gè)目的，設(shè)計(jì)和制作了一個(gè)SOI MEMS電容式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)。這個(gè)SOI加速度計(jì)具有傳統(tǒng)的梳式結(jié)構(gòu)，間隙為2.25 μm，并使用差分結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。傳感電容器的額定電容量約為5 pF，而根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，它的電容量的最大變化值約為500 fF。制作完的MEMS裝置采用了引腳陣列封裝（PGA）。首先，MEMS模片附在銀環(huán)氧樹脂引腳陣列封裝孔上。在固定模片中，應(yīng)確保環(huán)氧樹脂不能溢出結(jié)構(gòu)排列的頂部，同時(shí)將其固定。在封裝中，使用了不同于傳統(tǒng)的玻璃蓋代替金屬蓋進(jìn)行封裝。這有助于在測(cè)試的后續(xù)階段的結(jié)構(gòu)排列的可視化并且可以用肉眼進(jìn)行檢查，而不暴露于環(huán)境條件下。

將MEMS和ASIC兩個(gè)封裝好的裝置固定在印刷電路板上（PCB），稱之為PCB集成。單封裝多片集成和單片集成是另外兩種可行的集成技術(shù)，如前所述。在單封裝集成的情況下，MEMS和ASIC模片并排放置在一個(gè)封裝槽中并用引線焊合。在這種集成中，由于MEMS和ASIC之間的連接不需要封裝引腳，所以它的測(cè)量將不受封裝寄生效應(yīng)的影響，MEMS和ASIC模片模墊電容有效地增加了寄生電容。此外，對(duì)于PCB和混合集成而言，封裝和引線焊合引起的應(yīng)力會(huì)改變傳感器的剛性，從而改變其共振頻率。這可能也會(huì)降低靈敏度。在單片集成的情況下，由于兩種裝置將在相同的晶片上制作，所以不存在封裝或模墊寄生效應(yīng)。因此，在靈敏度，分辨率，噪聲方面，片上集成可能具有最佳的性能。

如圖11所示，在我們的PCB集成系統(tǒng)中，MEMS PGA封裝放置在一個(gè)ZIF插座中，靠近ASIC，它的路由長(zhǎng)度最小，寄生元件較少。在PCB的布局圖中，傳感器與ASIC由3條的線路連接。線路連接差分結(jié)構(gòu)的頂部和底盤，必須與普通節(jié)點(diǎn)對(duì)稱。如果不對(duì)稱，傳感電容將出現(xiàn)不匹配現(xiàn)象。此外，這些線路的長(zhǎng)度必須很短，因?yàn)樗鼤?huì)增加寄生電容CP，并且如果線路是對(duì)稱的，差分電容將不受影響。

圖11　MEMS傳感器和ASIC的PCB集成電路板

4　實(shí)際測(cè)試與測(cè)量

使用0.18 μm CMOS技術(shù)（圖10）制成的信號(hào)調(diào)節(jié)ASIC的電源電壓為1.8 V。參考電壓為0.9 V （VDD/2），它是ASIC本身內(nèi)部通過一個(gè)帶隙參考發(fā)生器產(chǎn)生的。在均衡狀態(tài)下（ΔC=0），ASIC的輸出設(shè)置為VDD/2，它可以被視為輸出共模電平。對(duì)于這兩個(gè)傳感電容器，任何額定電容量的失配都可以通過片上電容器加以平衡，恢復(fù)平衡狀態(tài)。一旦平衡，電路可以測(cè)量出電容的任何變化，并提供輸出。如果ΔC為正數(shù)，ASIC的輸出將大于0.9 V，并且如果是負(fù)數(shù)，則輸出將低于參考電壓。ASIC輸出信號(hào)的浮動(dòng)是±500 mV?？烧{(diào)方波發(fā)生器提供了可調(diào)的振幅和頻率方波以及軌至軌時(shí)鐘。激勵(lì)方波信號(hào)的幅值可以從280 mVpp調(diào)節(jié)到1 VPP，用來(lái)調(diào)節(jié)ASIC的靈敏度。操作電路和方波的正常頻率是500 kHz，也可以從120調(diào)整到900 kHz。首先，內(nèi)置片上單獨(dú)檢測(cè)ASIC信號(hào)調(diào)理電路，無(wú)需MEMS裝置，集成系統(tǒng)直接進(jìn)行振子檢測(cè)。

4.1內(nèi)部片上電容器檢測(cè)

前面談及過，內(nèi)部片上電容器能有效地用于測(cè)試ASIC，無(wú)需任何外部電容傳感器協(xié)助。盡管片上電容器的主要作用是平衡差分傳感器配置，但它還可以通過外部控制引腳使輸入電容發(fā)生變化，這種變化可以通過ASIC測(cè)量的。按照250 fF的額定電容值的選擇方法，內(nèi)部電容器可以起到CS1和CS2的作用。ASIC將檢測(cè)電容的差異并提供相應(yīng)的輸出。控制引腳可以設(shè)置為最小電容變化，即25 fF。圖12顯示了ASIC的測(cè)量輸出，它的靈敏度具有可調(diào)諧性的。在該測(cè)量中，C在100 fF到1 pF之間逐步發(fā)生變化，并且片上電容器連接為CS1，這樣ΔC變成正。該測(cè)量的整體增益控制設(shè)置為15。靈敏度可以通過調(diào)節(jié)方波振幅進(jìn)行調(diào)整。通過這些設(shè)置，它的靈敏度從0.3調(diào)整到大約1 mV/fF。測(cè)量結(jié)果顯示了電容變化的線性關(guān)系。

圖12　ASIC內(nèi)部對(duì)于不同靈敏度片上電容變化測(cè)量輸出

4.2實(shí)際震動(dòng)測(cè)試

最后將系統(tǒng)安裝在一個(gè)電動(dòng)振子上用以測(cè)試在振動(dòng)或加速度狀態(tài)下集成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。必須注意安裝集成系統(tǒng)的正確性，這樣在振子和集成系統(tǒng)之間不會(huì)產(chǎn)生任何相對(duì)的振動(dòng)。模擬設(shè)備中的ADXL150參考加速度計(jì)也將安裝在我們的集成系統(tǒng)上。振子根據(jù)不同輸入信號(hào)的振幅和頻率而振動(dòng)。傳感器結(jié)構(gòu)上的加速度效果取決于對(duì)振子的驅(qū)動(dòng)振幅和頻率。所用的加速度也可以通過參考加速度計(jì)測(cè)量出的輸出計(jì)算出來(lái)。圖13顯示了測(cè)量的響應(yīng)，參考加速度計(jì)的頻率為30 Hz。圖13中電動(dòng)振子的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性因受電磁干擾，略微有嘈雜音。

圖13　30 Hz震動(dòng)頻率下集成加速度計(jì)的反應(yīng)（加速度大約2.5 gn）

圖14顯示了集成加速度計(jì)輸出和商用加速度計(jì)的輸出之間的對(duì)比。測(cè)量結(jié)果中集成加速度計(jì)的靈敏度大約為60 mV/gn，而ADXL150的靈敏度約40 mV/gn。

圖15對(duì)比了測(cè)量結(jié)果與式（3）的理論值。按照式（3）計(jì)算，集成加速度計(jì)理論上的靈敏度為300 mV/gn。測(cè)量結(jié)果表明，本裝置在封裝完后以及整體系統(tǒng)集成后的靈敏度，相比理論估計(jì)值大大降低了。這主要是由傳感器排列以及PCB產(chǎn)生的寄生電容量大大地增加了C0而造成的。這也可能是在引線焊合和包裝過程中傳感器的剛度增加的原因。

圖15　實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論值的比較

表1總括了集成系統(tǒng)的測(cè)量特性。對(duì)于系統(tǒng)封裝后的靈敏度降低的問題，可以采取單片集成的方法，由于兩種裝置將在相同的晶片上制作，所以不存在封裝或模墊寄生效應(yīng)。因此，在靈敏度，分辨率，噪聲方面，片上集成可能具有最佳的性能。

表1　提出的集成系統(tǒng)的測(cè)量特性

5　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)和制作了采用片上電容陣列和可調(diào)方波發(fā)生器的信號(hào)調(diào)理電路，使用了0.18 μm CMOS技術(shù)，并組成了集成電容式傳感器測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量毫微微法拉級(jí)別的電容變化。ASIC電路也采用了SOI MEMS電容式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示，它可以如實(shí)地測(cè)量到振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中MEMS傳感器的電容變化以及加速度。集成系統(tǒng)還能平衡傳感器的電容失配，同時(shí)可以調(diào)整整套系統(tǒng)的靈敏度。靈敏性調(diào)諧功能可以平衡MEMS傳感器和ASIC專用集成電路所產(chǎn)生的差異。此外，該信號(hào)調(diào)理電路也適用于電阻式傳感器系統(tǒng)，并且與其他裝置應(yīng)用程序相類似。

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圖14　提出的集成加速度計(jì)與商用ADXL150加速度計(jì)的比較測(cè)量結(jié)果

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官泳華（1964-），女，漢族，四川內(nèi)江人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，副教授，理學(xué)學(xué)士，研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué)，scguangyonghua@126.com。

Design of Capacitive Sensor Signal Conditioning Circuit Based on MEMS

GUAN Yonghua*
（Sichuan Vocational and Technical College Department of Electronic and Electrical Engineering，Suining Sichuan 629000，China）

In order to improve the sensitivity of MEMS capacitive sensor to measure low capacitance，a MEMS capacitive sensor conditioning circuit was proposed.An integrated capacitance measuring system is made by using an insulated silicon wafer（SOI）MEMS capacitive accelerometer.The signal conditioning circuit uses a set of chip capacitor array to offset the loss of the capacitor structure.The sensitivity of the adjustable system of a square wave generator is used to compensate the change of the electronic device.Circuits are designed and made by 0.18-μm CMOS technology.The experimental results show that the measurement system can accurately measure to the changes in the capacitance of the MEMS sensor and acceleration，and prove the correctness and precision of signal conditioning circuit.

capacitance measurement；MEMS；signal conditioning circuit；capacitance array

TP212；TN919.2

A

1005-9490（2016）03-0551-07

EEACC：722010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.011