韓曉東，李得天，成永軍，孫雯君，李 剛，王呈祥

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

MEMS傳感器具有小型化、低成本、高性能、易與CMOS集成電路兼容等特點(diǎn)[1]。在不同類型的MEMS傳感器中，最普遍、應(yīng)用最廣泛的是壓阻式和電容式傳感器。與壓阻式傳感器相比，電容式傳感器具有靈敏度高、溫度系數(shù)低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[2]。MEMS電容薄膜真空計(jì)作為MEMS電容式傳感器的一種，能夠滿足深空探測(cè)、空氣動(dòng)力學(xué)研究、臨近空間探索等領(lǐng)域?qū)φ婵諟y(cè)量?jī)x器測(cè)量準(zhǔn)確度高、體積小、質(zhì)量輕、功耗低的應(yīng)用需求，具有廣泛的應(yīng)用前景[3]。

MEMS電容薄膜真空計(jì)包含真空規(guī)管和測(cè)量電路兩個(gè)部分[4]。其中，真空規(guī)管將真空度轉(zhuǎn)化成電容量，測(cè)量電路對(duì)電容量進(jìn)行處理得到真空度的值[5]。MEMS電容薄膜真空規(guī)管初始電容量的范圍為幾到幾十皮法，其電容變化量為幾飛法甚至更小。MEMS電容薄膜真空規(guī)管的敏感電容具有不同結(jié)構(gòu)，包括單側(cè)電極結(jié)構(gòu)、雙側(cè)電極結(jié)構(gòu)以及靜電力平衡結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)的敏感電容其電容變化量不同。另外，MEMS電容薄膜真空計(jì)要求測(cè)量電路功耗低、易集成，考慮到寄生電容和電磁干擾及溫度的影響，精確測(cè)量MEMS電容薄膜真空規(guī)管的微小電容是一個(gè)難題。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的敏感電容，提出了多種微小電容測(cè)量方法。

1 單側(cè)電極微小電容測(cè)量

敏感電容為單側(cè)電極的MEMS電容薄膜真空規(guī)管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在MEMS制造及封裝工藝下易于實(shí)現(xiàn)[6-7]。如圖1所示，感壓薄膜上的電極與硅基底上的電極組成了一個(gè)隨真空度變化而變化的敏感電容。由于只存在單一的敏感電容，測(cè)量電路中往往需要引入一電容值與敏感電容初值相等的固值參考電容。

圖1 單側(cè)電極MEMS電容薄膜真空規(guī)管結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of MEMS capacitance diaphragm vacuum gauge with one-side electrode

郭占社等[8]提出了基于峰值檢測(cè)的微電容測(cè)量法，該方法可用于檢測(cè)MEMS設(shè)備上的單一電容變化量。電路采用實(shí)時(shí)峰值檢測(cè)技術(shù)，只檢測(cè)待測(cè)電容的變化量。如圖2所示，首先正弦載波信號(hào)及微分電路對(duì)MEMS器件輸出的電容量進(jìn)行載波調(diào)制，然后通過(guò)減法電路得到幅值與電容變化量成比例的正弦信號(hào)，最后用峰值檢測(cè)方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到直流輸出。測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)量電路具有良好的線性，測(cè)量精度可以達(dá)到2%，靈敏度可以達(dá)到3.6 V/pF。但該電路不易于小型化集成。

圖2 基于峰值檢測(cè)的微電容測(cè)量電路框圖Fig.2 Block diagram of small capacitance measurement circuit based on the peak detection

Wang等[9]設(shè)計(jì)了一種具有寬溫度范圍的基于CMOS的微電容測(cè)量電路。如圖3所示，電路采用相關(guān)雙采樣方法，Vref為輸入?yún)⒖茧妷?，時(shí)鐘信號(hào)Φ1、Φ2通過(guò)控制開(kāi)關(guān)控制電容的充放電從而完成對(duì)敏感電容的測(cè)量。保持電容Ch1、Ch2用來(lái)存儲(chǔ)和消除低頻噪聲及運(yùn)算放大器的偏置電壓。電路采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的二階Σ-Δ調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn)高的分辨率，其中電容C3=2C4。測(cè)量過(guò)程分為兩個(gè)階段，當(dāng)信號(hào)Cal置“0”時(shí)，電路處于正常工作狀態(tài)，輸出為y；當(dāng)信號(hào)Cal置“1”時(shí)，電路處于校準(zhǔn)狀態(tài)，C1和C2位置互換，此時(shí)輸出為y′。兩種狀態(tài)下的輸出信號(hào)都包含由時(shí)鐘反饋回路、電荷注入效應(yīng)、開(kāi)關(guān)漏電流等產(chǎn)生的噪聲，兩者相減即可消除這些噪聲。另外，電路采用了恒定跨導(dǎo)偏置技術(shù)使得電路在-55～125℃溫度范圍能正常工作[10-11]。

圖3 電容-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器原理圖Fig.3 Schematic of capacitance to digital converter circuit

電路芯片利用IBM 0.13 μm CMOS技術(shù)制造， CMOS電路板的尺寸為1 950 μm×1 850 μm，有效電路尺寸為263 μm×354 μm，采用2.5 V電源供電，功率消耗約為0.69 mW。在-20～225℃溫度范圍內(nèi)，電路精度可達(dá)到2.4%，分辨率可達(dá)到1.44 fF。

圖4 電容-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器電路布局和芯片顯微照片F(xiàn)ig.4 Layout and chip micrograph of capacitance to digital converter circuit

2 雙側(cè)電極微小電容測(cè)量

敏感電容為雙側(cè)電極結(jié)構(gòu)的MEMS電容薄膜真空規(guī)管結(jié)構(gòu)如圖5所示，敏感薄膜上的電極與上下硅基底上的電極構(gòu)成了兩個(gè)隨真空度變化而變化的敏感電容。差動(dòng)結(jié)構(gòu)的敏感電容配合差動(dòng)電路能準(zhǔn)確感知薄膜的微小變化、減小寄生電容和耦合電容的影響、提高測(cè)量的共模抑制比，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的分辨率，因此通常采用功耗低、易小型化集成的開(kāi)關(guān)電容電路來(lái)構(gòu)成差動(dòng)測(cè)量電路[12-13]。而隨著MEMS傳感器的廣泛應(yīng)用，具有可調(diào)性、能滿足不同設(shè)備需求的電路也比較受關(guān)注。

圖5 雙側(cè)電極MEMS電容薄膜真空規(guī)管結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of MEMS capacitance diaphragm vacuum gauge with two-side electrode

官泳華[14]設(shè)計(jì)了一種具有可調(diào)靈敏度的針對(duì)差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)的MEMS電容式傳感器的信號(hào)測(cè)量電路。如圖6所示，電路包括傳感器電容CX1、CX2，寄生電容CP，輸入阻抗緩沖器R，前置可編程放大器，一個(gè)單位增益的反相放大器，相敏解調(diào)器，可調(diào)方波時(shí)鐘發(fā)生器，低通濾波器（LPF），可編程輸出放大器[15-16]?？删幊谭糯笃魈峁┝硕鄠€(gè)增益，使得電路可以根據(jù)信號(hào)的輸入強(qiáng)度及要求來(lái)選擇合適增益?？烧{(diào)方波時(shí)鐘發(fā)生器為傳感器提供激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)為解調(diào)器提供時(shí)鐘信號(hào)，這種可調(diào)性可以抑制傳感器的結(jié)構(gòu)變化以及封裝給電路的影響[17]。另外，該電路中采用了片上電容陣列[18]，可以抵消差動(dòng)結(jié)構(gòu)電容的失配導(dǎo)致的不平衡。

圖6 差動(dòng)式可調(diào)諧微電容測(cè)量電路原理圖Fig.6 Schematic of tunable small capacitance measurement circuit with differential structure

電路集成芯片采用0.13 μm CMOS技術(shù)制造，供電電壓為1.8 V，能耗約為10 mW。測(cè)試結(jié)果表明，電路能夠測(cè)量MEMS電容式傳感器中的飛法級(jí)別的電容變化，靈敏度可達(dá)到0.3 mV/fF，通過(guò)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，靈敏度可達(dá)到1 mV/fF。

Awmini等[19]設(shè)計(jì)了一種開(kāi)關(guān)電容電路來(lái)測(cè)量具有差動(dòng)敏感電容結(jié)構(gòu)的MEMS設(shè)備的微小電容變化。電路主要由開(kāi)關(guān)電容電荷放大器和一階Σ-Δ調(diào)制器組成[20]，利用0.25 μm CMOS技術(shù)制作成集成芯片，芯片有效面積約為2 mm2，供電電壓2.5 V，功耗約為6 mW。電路的靈敏度可以達(dá)到2.5 V/pF，分辨率可達(dá)到4 aF。為滿足不同應(yīng)用的需求，Pérez Sanjur?jo等[20]設(shè)計(jì)了一種適用于MEMS電容式傳感器的電容-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。如圖7所示，MEMS敏感電容通過(guò)惠斯通電橋與電容-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換電路相連。Csens為敏感電容，Cref為和敏感電容具有相同溫度特性的參考電容，VEX方波激勵(lì)信號(hào)，則電橋輸出Vdiff如式（1）：

圖7 MEMS傳感器及電容-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig.7 Block schematic of the MEMS sensor and capacitance to digital converter

測(cè)量時(shí)，首先由開(kāi)關(guān)電容放大器將電容轉(zhuǎn)換為電壓，然后由一個(gè)自振蕩噪聲整形積分雙斜率轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)[21-22]。在前級(jí)模擬電路中，COffset和CGain為可編程電容，可以調(diào)劑電橋的輸出信號(hào)同時(shí)補(bǔ)償電橋的偏移，該特征可以使電路處理相同MEMS設(shè)備的不同信號(hào)或有相同激勵(lì)信號(hào)的不同的MEMS器件。自振蕩噪聲整形積分雙斜率轉(zhuǎn)換器使用時(shí)間而不是幅度分辨率來(lái)產(chǎn)生多位數(shù)字輸出信號(hào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能有效消除偏移及閃爍噪聲，實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量。

如圖8所示，電路采用0.13 μm CMOS技術(shù)制作成集成芯片，有效面積約為0.317 mm2，功率消耗約為0.2 mW。測(cè)量結(jié)果表明，電路可以在-40～80℃溫度范圍內(nèi)正常工作，電容分辨率可達(dá)到7 aF，壓力分辨率可達(dá)到1 Pa。

3 靜電力平衡結(jié)構(gòu)微電容測(cè)量

和普通MEMS電容式傳感器相比，靜電力平衡電容式傳感器采用閉環(huán)工作方式，利用力平衡反饋回路產(chǎn)生靜電力來(lái)平衡傳感器中的感壓薄膜或質(zhì)量塊[23]。靜電力平衡技術(shù)在MEMS加速度計(jì)、陀螺儀等傳感器中應(yīng)用廣泛[24-25]，在MEMS電容壓力傳感器中處于發(fā)展階段。Miyashita等[26]設(shè)計(jì)了一種靜電力平衡的MEMS電容薄膜真空計(jì)，如圖9所示。感壓薄膜上的電極分別與固定電極、參考電極構(gòu)成敏感電容和參考電容，伺服電極位于感壓薄膜下方，通過(guò)施加靜電力使感壓薄膜在測(cè)量真空度的過(guò)程中處于一個(gè)確定的位置，從而實(shí)現(xiàn)寬范圍的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量。

圖8 MEMS傳感器與電容-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器芯片封裝圖Fig.8 Die photo of the MEMS sensor and the CDC bonded together in a package

當(dāng)被測(cè)壓力為p時(shí)，要使感壓薄膜處于平衡狀態(tài)，則施加在感壓薄膜上的單位面積的靜電力Fe應(yīng)于壓力p相等，即：

圖9 靜電力平衡式MEMS電容薄膜真空規(guī)管結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure diagram of electrostatic balance MEMS capacitance diaphragm vacuum gauge

當(dāng)伺服電壓為VS時(shí)，薄膜上所受的靜電力Fe為：

式中：ε0為真空腔室的介電常數(shù)；d是伺服電極與薄膜間的距離。

由式（2）、式（3）得伺服電壓與壓力p的關(guān)系為：

如圖10所示，靜電力平衡式MEMS電容薄膜真空計(jì)的信號(hào)處理電路由微電容測(cè)量電路和靜電力控制回路組成。其中，微電容測(cè)量電路用來(lái)對(duì)敏感電容的變化量測(cè)量得到壓力信號(hào)，而靜電力控制回路用來(lái)產(chǎn)生伺服電壓。

圖10 靜電力平衡式MEMS電容薄膜真空計(jì)測(cè)量電路結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure block diagram of measurement circuit for electrostatic balance MEMS capacitance diaphragm gauge

為了保證靜電力平衡式MEMS電容薄膜真空計(jì)具有高精度以及良好的穩(wěn)定性，靜電力控制回路須要產(chǎn)生精確穩(wěn)定的靜電力[27]。通常采用PID控制器作為靜電力控制回路中的靜電力控制器[28]。PID控制算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高，在靜電力反饋微傳感器中應(yīng)用廣泛[29]。PID控制器中的比例作用可以及時(shí)反映系統(tǒng)的誤差信號(hào)，并減小系統(tǒng)偏差；積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的無(wú)靜態(tài)跟蹤；微分作用可以改善系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。通過(guò)正確地設(shè)置PID控制器的參數(shù)，就可以使其滿足靜電力平衡式MEMS電容薄膜真空計(jì)的測(cè)量要求。

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)MEMS電容薄膜真空計(jì)的微電容測(cè)量方法的分析，可以看出，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的敏感電容，存在不同的測(cè)量方法。單側(cè)電極微電容測(cè)量法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用于敏感電容初值較大且電容變化量也較大的場(chǎng)合。在測(cè)量的過(guò)程中，可以引入一個(gè)電容值與敏感電容初值相等的參考電容來(lái)構(gòu)成差分測(cè)量電路，從而在一定程度上消除寄生電容的影響，提高系統(tǒng)的線性度。雙側(cè)電極微電容測(cè)量法適用于敏感電容為差動(dòng)結(jié)構(gòu)且初值及變化量都很小的場(chǎng)合，其電路通常包含開(kāi)關(guān)電容電路以及時(shí)鐘電路，這就使得電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但在雙側(cè)電極微電容測(cè)量法中，傳感器與檢測(cè)電路構(gòu)成了雙差動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而能抑制測(cè)量過(guò)程中的噪聲、減小寄生電容的影響，具有較高的電源抑制比及共模抑制比。靜電力平衡式微電容測(cè)量法適用于靜電力平衡式MEMS電容薄膜真空計(jì)，電路為閉環(huán)結(jié)構(gòu)，包括微電容測(cè)量電路和靜電力控制回路，其中靜電力控制回路用來(lái)產(chǎn)生平衡感壓薄膜的靜電力，對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量性能有著至關(guān)重要的影響，該方法在保證真空計(jì)高精確度測(cè)量的同時(shí)還能拓寬其動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。

MEMS電容薄膜真空計(jì)用于真空測(cè)量，要求在較寬的壓力測(cè)量范圍內(nèi)能測(cè)得較小的壓力變化量，同時(shí)需要滿足深空探測(cè)、臨近空間探測(cè)以及空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)等活動(dòng)中測(cè)量?jī)x器小型化的要求，所以測(cè)量電路應(yīng)該在滿足測(cè)量要求的前提下盡可能實(shí)現(xiàn)集成化、小型化、功耗低。因此，針對(duì)不同電極結(jié)構(gòu)的MEMS電容薄膜真空計(jì)微電容測(cè)量電路應(yīng)朝著易于集成、小型化的方向發(fā)展。由于基于開(kāi)關(guān)電容法的微電容測(cè)量電路易于集成，而靜電平衡結(jié)構(gòu)的微電容測(cè)量法有拓寬動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍的優(yōu)勢(shì)，因此基于兩者結(jié)合的微電容測(cè)量電路有望實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS電容薄膜真空計(jì)整體測(cè)量性能的提升。另外，隨著人工智能以及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，MEMS電容薄膜真空計(jì)的應(yīng)用范圍已經(jīng)從航空航天等高精尖領(lǐng)域向大眾化領(lǐng)域拓展，這使得其需求量變大，種類更多，考慮到市場(chǎng)的研發(fā)時(shí)間成本，研發(fā)和設(shè)計(jì)能滿足不同類型的MEMS電容薄膜真空計(jì)的電路是接下來(lái)MEMS電容薄膜真空計(jì)微小電容測(cè)量電路的主要發(fā)展方向。

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