一種適用無源RFID 的集成加速度傳感器設計*

陳 宏，鄧芳明，何怡剛，吳 翔

(1.華東交通大學 軌道交通學院，江西 南昌330013;2.合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥230009;3.華東交通大學 電子與電氣學院，江西 南昌330013)

0 引 言

射頻識別(RFID)技術是一種非接觸的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象獲取數據，是當前物聯網發展的關鍵技術。RFID 標簽按照工作方式可以分為有源標簽、半有源標簽和無源標簽三類，其中，無源RFID 標簽由于無需內置電池、成本低且使用周期長，更加廣泛地被應用于實際生產生活中［1］。無源RFID 標簽利用標簽天線接收RFID 閱讀器發送的無線信號，并經標簽內部的整流器和穩壓電路轉換為直流電壓為后續電路供電。因此，功耗是無源RFID 標簽最關鍵的性能指標，它決定了RFID 標簽的最大工作距離。

電容式加速度傳感器具有功率耗散低、靈敏度高、溫度效應小、加工工藝不復雜、集成容易等優點，是目前應用很廣泛的一種加速度傳感器［2］。作為集成電路主流制造工藝的互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝可以很容易地將傳感器、存儲器、信號處理電路及接口電路等集成在一起，而集成的接口電路具有更高的準確性、更小的芯片面積及更低的功耗，因此，采用CMOS 工藝制造電容式MEMS 加速度傳感器具有很大吸引力。

電容式加速度傳感器以電容形式接入接口電路，因此，集成加速度傳感器的主要功耗來源于接口電路。近年來，國際上針對電容式傳感器接口電路中電容/數字轉換提出了幾種設計方法。傳統電容式傳感器接口電路［3］首先采用電容/電壓轉換器，產生一個與傳感器電容和參考電容差值呈正比例的電壓信號，再經過A/D 轉換器(ADC)完成電壓/數字轉換。這種設計方法能夠獲得高速和高分辨率性能，但由于采用了ADC，電路結構復雜，功耗甚高(常達到mW 級)，不適合無源應用。文獻［4］針對上述設計方法，采用反相器替代完成運算放大器功能，極大降低了整體電路功耗，但仍采用了較高的電源電壓。文獻［5］基于脈沖寬度調制法，首先將傳感器電容值變化轉換到時域，再將時域信號轉換成相對應的數字信號。這種方法適合應用于傳感器電容變化范圍大的設計中，但電路復雜，轉換速度慢，也不適合無源低功耗設計。至今為止，國際上所報道的集成加速度傳感器接口電路都僅采用電容/電壓轉換方案［6，7］，且整體功耗達到mW 級。

本文旨在設計一種功耗μW 級的集成電容式加速度傳感器，以滿足無源RFID 標簽及其它超低功耗應用需求。

1 加速度傳感器原理

根據平行板電容器的計算公式C=ε0εrA/d 可知，改變極板疊合面積A、極板間隙d 或極板間介質的相對介電常數εr等參數可以來調節電容值的大小，因此，電容式結構將加速度物理量轉換為電信號的方法有變間隙、變面積、變介電常數3 種［8］。本文采用變面積電極結構，可以在結構上避免差分電容引入的非線性。原理分析如下:

在沒有加速度作用時，如圖1(a)所示，敏感質量塊處于平衡位置。

圖1 梳齒電容式加速度傳感器檢測原理Fig 1 Detection principle of comb capacitive acceleration sensor此時差分電容為

其中，ε0為真空介電常數，εr為相對介電常數，N 為梳齒電容極板對數，h 為梳齒電容極板厚度，L0為梳齒電容極板交叉重疊長度，C0為平衡位置時電容值。

如圖1(b)所示，當外加加速度不為零時，敏感質量塊偏移平衡位置，活動梳齒與固定梳齒交疊長度發生變化為

從而引起差動電容變化

則總的電容變化量為

由式(7)可知，差分電容變化量與梳齒的交疊長度變化量ΔL 完全呈線性關系。

又當頻率明顯低于諧振頻率時，質量塊的位移加速度比可以表示為

其中，ΔL 為位移，即梳齒的交疊長度變化量，a 為加速度，m 為敏感質量塊質量，k 為彈性梁的彈性系數，ωr為微結構的諧振頻率。由于m，k，ωr均為定值，可以得出位移與加速度保持良好的線性關系。

2 CMOS－MEMS 工藝

圖2 所示為從單晶硅襯底的背面采用深反應離子刻蝕的加工工藝，首先通過刻蝕結構背部以確定其厚度，如圖2(a)所示;對SiO2進行異性刻蝕，如圖2(b)，以使Si 在電學上隔離;并如圖2(c)所示將頂部的4 層金屬Al 刻蝕掉;然后，如圖2(d)所示，對Si 先后進行深度的異性刻蝕和同性刻蝕來切掉絕緣橫梁下的Si，使檢測電容之間，以及與Si 襯底之間相互隔離開;接著，再次對SiO2進行異性刻蝕，產生錨點、梳齒電容、彈簧等微結構(圖2(e));最后，再次對Si 進行深度刻蝕來釋放微結構，如圖2(f)所示。

圖2 CMOS 工藝流程Fig 2 CMOS process flow

3 接口電路

本文基于鎖相環原理，設計了一種全數字電容式傳感器接口電路，直接將傳感器電容值變換到頻率域進行數字轉換，有利于采用更低的電源電壓［9］，如圖3 所示，它包含傳感器控制振蕩(SCO)、數字控制振蕩器(DCO)和鑒相器(PD)三個模塊。SCO 和DCO 都采用三級反相器結構的環形振蕩器。傳感器電容Csens作為可變電容負載接入SCO的一級中，由此產生一個傳感器控制的振蕩頻率fsens。PD鑒別SCO 和DCO 的相位差產生一個二進制輸出bout，且bout控制DCO 的可變負載產生一個受控的振蕩頻率fdig。DCO的可變負載由兩電容Co和Cm并聯組成。電容Co被設計成與傳感器電容Csens的靜態值相等，電容Cm被設計成略大于Csens的最大可變范圍，且受PD 輸出bout控制，從而斷開或接入DCO 中。鑒相器PD 是由簡單的D 觸發器構成。當整個環路穩定的情況下，DCO 的輸出頻率fdig在一個周期內表現為大于或小于fsens，但是fdig的平均值與fsens相等。因此，鑒相器輸出bout就代表了傳感器電容值所對應的數字信號。

圖3 本文設計的電容式傳感器接口電路圖Fig 3 Interface circuit of the proposed capacitive sensor

在低功耗應用中，環形振蕩器中的反相器常常采用電流受限型反相器以降低功耗。雖然電流受限型反相器需要采用更高的電源電壓，但可以采用更低的工作電流，提高了振蕩器的溫度穩定性，降低了整體功耗。本文采用一種新型的環形振蕩器結構如圖4 所示，M1～M6構成電流受限型三級反相器結構，M7～M9和M10～M12構成反相器的電流鏡，相比傳統結構，MH1，MH2和ML1，ML2額外加入為鉗制前兩級反相器的輸出電壓擺幅為

其中，VGSL為ML1的柵源電壓，VGSH為MH1的柵源電壓，VDS10為M10的漏源電壓，VDS7為M7的漏源電壓。前兩級反相器采用內部限幅結構降低了動態功耗，而第三級輸出級維持大信號輸出擺幅以滿足后續電路的驅動需求。

4 測試結果分析

本文設計的加速度傳感器及其接口電路，采用臺積電0.35 μm CMOS 2P4M 工藝制造，芯片圖如圖5 所示。

在振動臺參考頻率為150 Hz 下進行加速度傳感器靈敏度和非線性的測試，測試結果如圖6 所示。利用最小二乘法對數據進行二次擬合，根據測試結果可計算出在－8 ～+8 gn范圍內加速度傳感器的靈敏度約為1.64×104quants/gn

圖4 本文采用的環形振蕩器電路圖Fig 4 Circuit diagram of the proposed ring oscillator

圖5 本文設計的CMOS-MEMS 加速度傳感器芯片圖Fig 5 Chip diagram of the designed CMOS-MEMS acceleration sensor

圖6 加速度傳感器線性測試曲線Fig 6 Linear test curve of acceleration sensor

在敏感方向加載加速度幅值為2 gn的振動信號，測試了1 ～6 kHz 的頻率響應，得到幅頻特性曲線，如圖7 所示。可知加速度傳感器的諧振頻率為4.3 kHz，比設計值略小，這是因為光刻時有線條損失，導致彈性梁的梁寬變窄，進而彈性系數變小，導致諧振頻率變小。

圖7 加速度傳感器共振頻率測試圖Fig 7 Test charts of resonance frequency of acceleration sensor

針對零偏的溫度穩定性進行了測量，將加速度傳感器系統平穩地置于高精度恒溫水油槽中，并平置于水平隔振臺上，讓加速度系統處于零加速度輸入狀態，保持在15 ℃下，每隔1 s 采集一個數據，共采集3 000 s，結果如圖8。

圖8 加速度傳感器3 000 s 內溫度輸出穩定性Fig 8 Temperature output stability of acceleration sensor within 3 000 s

表1 將本文設計的全數字電容式傳感器接口電路與近年來國內外文獻中設計的電容式接口電路進行了性能對比。本文設計的接口電路結構簡單，只占用了0.20 mm2芯片面積，1.0 V 電源電壓下僅消耗了1.35 μW 功率。雖然文獻［5，9］的方案也獲得了同數量級的低功耗，但文獻［5，9］分別采用了更先進的工藝，制造成本較高，且文獻［9］只獲得了8.1 bits 的有效位數(ENOB)。

表1 集成電容式傳感器接口電路性能對比Tab 1 Performance comparison of interfaces circuit of integrated capacitive sensor

5 結 論

本文針對無源RFID 傳感器標簽的應用要求，采用臺積電0.35 μm CMOS 工藝設計了一種集成加速度傳感器。傳感器單元采用從單晶Si 襯底的背面進行深反應離子刻蝕工藝，背面刻蝕完成后再正面對金屬和介質復合層進行各向異性刻蝕。相比于傳統加速度傳感器接口電路，本設計基于鎖相環原理，將傳感器信號轉移到頻率域處理，避免了高功耗的ADC的使用。后期測試結果顯示:本文設計的集成加速度傳感器獲得了良好的線性度和穩定性，所占面積小，功耗低，特別適用應用于無源傳感器標簽設計中。

［1］ Li B，He Y G，Zuo L，et al.Metric of the application environment impact to the passive UHF RFID system［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2014，63(10):2387－2395.

［2］ 劉 宇，鞠文斌，劉羽熙.MEMS 加速度傳感器計量檢測技術的研究進展［J］.計測技術，2010，30(4):5－8.

［3］ Shin D，Lee H，Kim S.A Delta－Sigma interface circuit for capacitive sensors with an automatically calibrated zero point［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems II:Express Briefs，2011，58(2):90－94.

［4］ Tan Z，Daamen R，Humbert A，et al.A 1.2 V 8.3nJ CMOS humidity sensor for RFID applications［J］.IEEE Journal of Solid－State Circuits，2013，48(10):2469－2477.

［5］ Nizza N，Dei M，Butti F，et al.A low－power interface for capacitive sensors with PWM output and intrinsic low pass characteristic［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers，2013，60(6):1419－1431.

［6］ Mikail Yücetas，Mika Pulkkinen，Antti Kalanti，et al.A high－resolution accelerometer with electrostatic damping and improved supply sensitivity［J］.IEEE Journal of Solid－state Circuits，2012，47(7):1721－1730.

［7］ Wu Po－Chang，Liu Bin－Da，Tseng Sheng－Hsiang，et al.Digital offset trimming techniques for CMOS MEMS accelerometers［J］.IEEE Sensors Journal，2014，14(2):570－577.

［8］ 王文濤，耿增建.單軸硅微加速度傳感器的原理與電路設計［J］.現代電子技術，2005，14:92－94.

［9］ 鄧芳明，何怡剛，張朝龍，等.低功耗全數字電容式接口電路［J］.儀器儀表學報，2014，35(5):994－998.