基于mems技术微电容压力传感器转换电路的设计

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1、第27卷第3期黑龙江大学自然科学学报Vol.27No.32010年6月JOURNALOFNATURALSCIENCEOFHEILONGJIANGUNIVERSITYJune，2010基于MEMS技术微电容压力传感器转换电路的设计12何立志，刘群(1．黑龙江大学物理科学与技术学院，哈尔滨150080;2．哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨150001)摘要:在交流激励、电容－电压转换测量方案中，针对测量信号微弱、干扰、温漂大的问题，从测量原理、误差产生、抗杂散性等方面进行了分析，对转换电路中的

2、运算放大器引入了负反馈，并对反馈元件取值进行了研究和实验，得出了实验仿真与调试结果，并给出该电路的误差分析与校正曲线。仿真结果显示，该电路在抗杂散性、抗温漂、提高分辨率和信噪比方面满足设计要求。关键词:传感器;微电容;交流激励;电容－电压转换;负反馈中图分类号:TP391文献标志码:A文章编号:1001－7011(2010)03－0407－040引言微电容式传感器在微机电一体化系统中担负信号检测与转换任务，其工作性能、稳定性、可靠性决定了［1］整个微机电系统性能，而微电容传感检测电路又是微电容传感器

3、中的重点环节，实际电路所处理的电容变化非常微小，电容传感器电缆杂散电容的影响非常明显，杂散电容会随温度、结构、位置、内外电场分布及［2］器件的选取等诸多因素的影响而变化，因此微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。本文针对微电容检测转换电路拓扑结构、性能指标、抗扰性等方面进行研究。对测量电路原理、抗扰性、误差进行理论分析。鉴于微电容式传感器系统中电容的变化范围为皮法至飞法数量级，测量电路信噪比要求非常高，因而对变化环节的放大器引入电容电阻负反馈电路，通过反复仿真调试

4、和实验，对交流激励电容测量电路的关键元件参数进行了优化，给出该电路的误差分析与校正曲线，从仿真来看，电路在抗杂散性、抗温漂、提高分辨率和信噪比方面得到明显改进。1测量电路原理交流激励电容测量电路的C/V转换电路基本原理如图1所示。正弦信号US(t)对被测电容进行激励，［1］激励电流流经由反馈电阻Rf、反馈电容Cf和运放组成的检测器D转换成交流电压U0(t):jωRfCxU0(t)=－US(t)(1)1+jωRfCf若jωRfCf1，则(1)式为CxU0(t)=－US(t)(2)Cf式(2)表明，输

5、出电压值正比于被测电容值。为了使直接反映被测电容的变化量，目前常用的是带负反馈回路的C/V转换电路。这种电路的特点是抗杂散性好、分辨率高。由于采用交流放大器，所以低漂移、高信噪比。收稿日期:2009－12－08基金项目:黑龙江省自然科学基金资助项目(A200805)作者简介:何立志(1966－)，男，高级工程师，硕士，主要研究方向:传感器技术·408·黑龙江大学自然科学学报第27卷2误差分析2.1电路抗杂散性分析电容测量电路中的杂散电容主要来自两个方面，具体杂散干扰的分布见图2，其中CS1和CS2分

6、别是两极板与传感器屏蔽罩间的耦合电容，CS3和CS4为两极板与地间的杂散电容，RS1和RS2为传输导线的导通电阻。理想情况下，Vi为稳压电源，即内阻为零，CS1只与Vi并联，它的存在并不产生通过流向运算放大器的电流，则CS1对输出的影响可忽略;理想运算放大器的直流增益、输入阻抗均为无穷大，CS2与运放的反相端相连，一直［3］处于虚地状态，CS2的两端无电位差，则它的存在也不会对输出产生影响。RfRfCf正弦信号发生器CxU（st）-DU（ot）RRS1S2CS1CS2+Vi-VoCS2+CS1CS3

7、CS4图1流激励电容测量电路Fig.1Capacitymeteringusedinalternating图2路杂散电容的分布currentstimulationcircuitFig.2Straycapacity′sdistributionincircuit另外杂散干扰还有杂散电容CS3、CS4和传输电阻RS1、RS2，根据图2，可得出考虑杂散干扰的存在时的输出为:jωCxZfVO'=－·Vi(3)B2上式中B=1+jωRs1(Cx+Cs3)+jωRs2(Cx+Cs4)－ω(CxCs3+CxCs4+C

8、s3Cs4)．结合实际应用情况，激励信号的角频率ω达数兆弧度/秒，被测电容Cx为皮法级电容，杂散电容CS3和CS4一般为数十或数百皮法，传输电阻RS1和RS2一般均小于1欧姆，即

9、jωCx

10、1s，

11、jωCs3

12、1s，

13、jωCs4

14、1s，且Rs11Ω，Rs21Ω，那么B→1，则式(3)可近似为:VO'≈－jωCxZf·Vi=VO(4)［4］显然，该电路具有良好的抗杂散干扰的能力。2.2电路原理误差分析在实际应用中，激励信号并不是理想的稳压电源，它有一定的内阻，