利用差頻電路實(shí)現微電容式傳感器檢測電路的溫漂抑制

　0引言
　電容式傳感器是將被測的非電量變化轉換為電容量變化的一類(lèi)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)，因此廣泛應用在壓力、濕度、溫度和加速度等測量中。MEMS(微電子機械系統)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，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。如此小的變化量對檢測電路的設計是一個(gè)挑戰。傳統的用分立元件搭制檢測電路的方法將無(wú)法適應傳感器電容不斷減小的趨勢，因此設計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變?yōu)殡妷夯蝾l率。目前大多數國外MEMS傳感器廠(chǎng)家采用開(kāi)關(guān)電容電路作為電容信號的接口。這一電路的特點(diǎn)是精度高、可實(shí)現與傳感器的高度集成，但電路結構相對復雜，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換為頻率或周期，電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，輸出的頻率信號具有準數字輸出的特點(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)驗室開(kāi)發(fā)的微電容式傳感器檢測電路在張弛振蕩器的基礎上設計了一種差頻電路，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所示結構的整個(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)驗室已經(jīng)流片的敏感電容振蕩電路。該電路由開(kāi)啟電路、恒流源、CMOS開(kāi)關(guān)、施密特觸發(fā)器以及反相器組成。

　　由圖3和圖4可見(jiàn)，該電路實(shí)現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(wèn)題：一是輸出頻率過(guò)大，不方便單片機讀數；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。