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MEMS高線性電容式E+E壓力傳感器檢測(cè)電路優(yōu)化
近年來(lái)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(jiǎn)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(cè)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(cè)和轉(zhuǎn)變各種非電量信號(hào)的作用,它必須具有良好的穩(wěn)定性和靈敏度。其中檢測(cè)得來(lái)的非電量信號(hào)在轉(zhuǎn)化成微電量信號(hào)后,其微電量信號(hào)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(cè)的五種方法,并比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn),根據(jù)采集信號(hào)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(duì)斬波電路的各個(gè)模塊進(jìn)行了電路級(jí)別仿真驗(yàn)證,用Candence Spectre對(duì)整體電路驗(yàn)證得到精確到aF級(jí)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(hào)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(guò)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(guò)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(cè)電路系統(tǒng)。

MEMS高線性電容式E+E壓力傳感器檢測(cè)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(duì)簡(jiǎn)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(duì)性能的要求,對(duì)于微電容檢測(cè)電路的研究和發(fā)展提供了有益的參考和價(jià)值。