电容式传感器的CMOS检测电路设计与实现

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1、摘要电容式传感器是将被测的非电量变化转换为电容量变化的一类传感器。随着微电子机械系统(MEMs)设计与加工技术的不断进步，已研制出包括电容式压力传感器、湿度传感器、加速度计、化学和生物传感器等产品。在国内，尚无成熟的电容式传感器接口集成电路投入市场。本文分析了国外电容式传感器处理电路的典型形式，比较了各种电容测量电路的特点，针对本实验室以前的流片的不足，改进了基于Schmitt触发器的电容式传感器检测电路，设计出了符合本实验室传感器温漂特性要求的接口电路。本文分析了实验室2007年开发的气压式传感器接口电路，对芯片进行了功能测试，得到它的温漂达到9

2、0Hz／℃，电容分辨率达10Hz／fF。针对前述电路温漂太大，提出了具有低温漂、低电源电压干扰的差分式张弛型电容式传感器检测电路。并针对其设计了差频电路，利用共用恒流源实现了敏感电容及参考电容与输出差频的转换。差频后的温度系数为8Hz，℃，相比之前减小了一个数量级，基本符合一个灵敏度为46fF／hpa的气压传感器的接口电路的温漂特性要求。1M本文采用TannerL-edit软件完成了版图设计。作者先基于对CMOS工艺版图设计技术的研究工作总结了版图设计技术，并对电路的关键器件的版图设计进行阐述。在此基础上对本设计电路进行了规范的版图设计，完成了DR

3、C文件、版图参数提取文件、LVS文件等必要的版图设计的辅助文档，对版图提取了寄生参数，验证了版图与原理图的一致性，通过后仿真验证了版图设计后的电路满足设计要求。电路的制备采用lla'nN阱双层金属单层多晶工艺，在中国电子科技集团第五十八所流片成功。测试结果表明基于Schmitt振荡器的电容检测电路的核心器件恒流源、Schmitt触发器和D触发器等核心器件性能符合设计指标，整体能正常工作，其输出频率与测量的电容成反比，给出了在不同参数条件下的电容——频率曲线，分辨率达到10Hz／fF。本文最后总结了整个课题的主要工作，同时提出了工作中的一些问题和进一

4、步改进的办法。关键词：CMOSMEMS、电容式传感器、张弛振荡器、差频电路ABSTRACTAcapacitivesensorillcl诋avariablecapacitortransducerwhichvariesitscapacitance谢mchangesinanenvironmentalparameter．WiththefastdevelopmentofthedesignandfabricationlevelofMEMS，severalsortsofMEMScapacitivesensors，suchaspressuresensor,humi

5、ditysensor,accelerometerandbiochemicalsensor8havebeenputintouse．Eh舅嬲eoftheverysmallcapacitance,aninterfaceICisnecessaryfortheMEMScapacitivesensor．Aninterfacecircuitdesignedbyourlabin2007istestedagainandtheanalysisisgiven．neauthorusedtemperaturechambertotestitscharacteristicsof

6、thetemperaturedrift，anditstemperaturedriftreaches90Hz／℃．Onthisbasis，thesimulationofthecapacitanceresolutionisIOHz／fEFortheforgoingcircuitdriRistoomuch，alowtemperaturedrift，lowsupplyvoltagerelaxationinterference-typecapacitivesensordetectioncircuitisputforward．Andatypeofdiffere

7、ncefrequencycircuitisdesigned,acommonconstantcurrentsourceisusedtoachievetheconversionofasensitivecapacitor,referencecapacitorandtheoutputdifferencefrequency．Differencefrequencytemperaturecoefficientis3Hz／℃，allsmallerorderofmagnitudeisachievedcomparingtotheprior，inline埘mthereq

8、uirementsofthedriftcharacteristicsofinterfacecircuitforapress