基于MEMS的電容式傳感器信號調理電路設計

官泳華

（四川職業技術學院電子電氣工程系，四川遂寧629000）

基于MEMS的電容式傳感器信號調理電路設計

官泳華*

（四川職業技術學院電子電氣工程系，四川遂寧629000）

為了提高MEMS（Micro-electro-mechanical Systems）微機電系統電容式傳感器測量低電容的靈敏度，提出了一種MEMS電容式傳感器調理電路，并采用絕緣硅片（SOI）MEMS電容式加速度傳感器組成了完整的電容測量系統。該信號調理電路采用了一組片上電容陣列用以抵消電容結構的失配。并且采用可調的方形波發生器來調諧系統的靈敏性，以此彌補電子裝置制成后產生的變化。電路采用0.18-μm CMOS技術設計并制成，測量結果顯示，提出的測量系統能夠準確測量到MEMS傳感器的電容變化以及加速度，證明了信號調理電路的正確性和精確性。

電容測量；微機電系統；信號調理電路；電容陣列

目前，MEMS傳感器以其小型化，低成本，高性能特點，以及易于集成CMOS電路深受廣泛的青睞［1］。在不同類型的MEMS傳感器中，電阻式和電容式傳感器是最普遍的類型，應用范圍廣。電容式傳感器與電阻式傳感器相比具有高靈敏度、低溫度系數和低功耗的優勢［2］。電容式壓力傳感器和加速度傳感器是目前市場中最成功的微型傳感器。此類傳感器被廣泛應用于消費電子，生物醫學系統，以及汽車和空間領域中，但主要問題是來自寄生電容器和電磁干擾的影響［3］。

盡管MEMS比較適合CMOS電路集成，但是絕緣體硅片（SOI）式傳感器更應是首選，因為它容易實現可移植的結構。MEMS電容式傳感器的尺寸小，與傳統類型的電容式傳感器相比，它的額定電容量以及電容變化更小。SOI MEMS型傳感器的額定電容量的范圍是在幾皮法拉內，電容量的變化范圍在幾百個千萬億分之一法拉內。盡管電容式傳感器按照差分結構進行配置，以消除常見的差異并達到較大的靈敏度，但是在可比較的寄生效應下，檢測微小的電容是一個巨大的挑戰。差分結構下的電容失配也會產生問題。此外，集成電路（IC）也應配有適當的可編程性和調諧選項，以消除制作后產生的差異，同時保證系統在不同條件下具有靈活性和多功能性。文獻［4-6］提出了不少檢測電容變化的電路結構。這些電路主要有兩種基本結構：（1）差分電壓結構；（2）電荷放大器結構。一般而言，在兩種情況下，差分電壓結構作為首選，因為它平衡了普通模式的差異并具有更高的靈敏性。在差分結構中，如果一個電容器增大，那么另外一個電容器將減小，同時電容差將產生輸出。在差分電壓模式結構中，兩個不同相的方波激活了傳感電容并且調整輸入信號。這種調整完的輸入信號將被緩沖，放大，解調，濾波，用以產生所需的輸出。這種調幅和解調，就是眾所周知的斬波穩態，它提高了輸出時低頻噪聲性能并且也減少了偏移［7-8］。在電荷放大器結構中，電容的變化轉換成了等效電荷，并利用反饋電容轉換成電壓。在這種結構中，寄生電容產生的效果相對少于電壓模式結構，因為傳感器輸出節點根據電容的變化來連接固定的電位和輸出的。

收稿日期：2015-07-01修改日期：2015-08-02

目前，雙采樣開關電容式電荷放大器結構也被廣泛地使用［9］。然而，大多數電路的結構相對比較復雜（因為時鐘電路圖復雜），并要求配備片上參考電容，而且電路的結構也受到電荷注入的影響［10］。此外，測量電路必須具有充足的調諧選項以應對傳感器以及裝置制作后電路本身的變化［11］。

本文設計一種具有可調靈敏度的MEMS電容式傳感器的信號調理電路，有效地實現了低電容的高精度測量。在PCB板上將提出的信號調理電路集成SOI MEMS加速度傳感器組成了完整的電容測量系統。整套電路采是0.18-μm CMOS技術設計并制成。并通過測量證明了該信號調理電路的正確性和精確性。

1　電容式傳感系統

圖1顯示了電容傳感器系統的總體框架圖。系統主要由兩個主要元件構成：（1）傳感器；（2）信號調理電路。兩個元件必須集成，形成一個完整的電容測量系統?，F代的電容傳感器系統運用了一個MEMS傳感器感應輸入和一個專用集成電路（ASIC）來調節信號。這種集成可以放在兩個封裝元件PCB上，稱為PCB集成。雖然單片集成具備了最佳的性能，但它需要一個特定的制作工藝，因而會增加該裝置的成本。

圖1　電容式傳感系統模塊示意圖

另一方面，PCB集成提供了一個低成本的方案，絲毫不影響系統的性能。圖2顯示了典型的電容式傳感器系統詳圖。在這種配置中，傳感器按照差分模式結構并通過兩個不同相方形波信號激活。隨著電容的差異，輸出的方形波的幅度發生變化。事實上，方波驅動是由輸入信號調節的，在這種情況下視為電容（ΔC）發生了變化。這個輸出將被緩沖和放大。然后通過相敏解調器解調，放大和濾波，進一步達到可利用的輸出。本文中，我們實現了保持電路結構簡單的差分電壓模式結構，這樣可以容易地與MEMS電容式傳感器集成。此外，我們納入了多種調諧使系統更加靈活。

2　信號調理電路設計

圖2顯示了信號調理電路圖，包括一個輸入接口的緩沖器，前置放大器，一個單位增益反相放大器，相敏解調器，低通濾波器，輸出放大器和一個可調的方波時鐘發生器。

圖2　差分結構下電容式傳感器的信號調理電路結構框圖

圖3顯示了傳感器輸入接口電路。如前所述，電容式傳感器以差分模式結構產生共模抑制和高靈敏度。在該圖中，CS1和CS2為感應電容。由于傳感參數可能選擇加速度，壓力等等原因，所以當一個電容器的電容增大時，其他的電容則降低。在傳感節點上，CP為寄生電容和RB是開機電阻器，以保證傳感節點處在所要求的直流電位置上。通過RB的電流應低到可以設置直流偏置的位置，而不影響傳感節點輸出。因此，RB必須大于感應電容的電阻抗［3］。

圖3　傳感器和ASIC輸入界面。

其中 fVs為主激勵信號的頻率。寄生電容CP降低了傳感節點上的信號強度，因此，它始終被要求降低或減少該電容效應，獲得更好的靈敏性［7］。傳感節點上的輸出VX和緩沖輸出VOUT可以表示為：

其中，VS為方波激勵信號的振幅峰值。

在式（2）中，如果CP=2ΔC，那么信號VX將被因子2減弱，從而降低了靈敏度。在基于MEMS的傳感器中，基板電容的傳感節點（VX）構成了CP的最大值。為了降低這種寄生效應，我們把傳感器基板連接在緩沖輸出上，以使通過電容器的電位差VOUT為零，從而導致有效電容變為零?？紤]到前置放大器的增益（GP）和輸出放大器的增益（GO），ASIC的最終輸出可以寫為：

2.1信號調理電路元件設計

輸入接口緩沖器指的是傳感器和ASIC之間的接口。因此，它必須是低噪聲和低偏移的，并且柵源寄生電容要小，因此，我們使用了一個負反饋輸入差級的二階運算放大器實現接口的緩沖。圖4顯示了緩沖器的示意圖。PMOS晶體管的閃變效應噪音比NMOS晶體管小。此外，PMOS晶體管可以用單獨散體連接，最大限度地降低了柵源寄生電容。

圖4　輸入接口緩沖區器

放大器中差分傳感器的緩沖輸出被放大，同時由于此原因，運算式的放大器將用來當做一個前置放大器使用。前置放大器是一個單位增益反相放大器，也是一個輸出放大器。偏置電流設置在 100 μA，以達到 55 dB直流增益。當相位容限約75°左右時，3-dB的帶寬則近似10 MHz。這些參數確保了具有低偏移和穩輸出特性的輸入信號，能夠得到適當地擴大。前置放大器是一個可編程增益的同相放大器。圖5顯示了緩沖器的示意圖。反饋電阻是隨著增益選擇引腳而發生變化的，而輸入電阻保持不變。通過兩個控制引腳，可以選擇4個增益級（5，10，15，20）中的其中一個。單位增益反相放大器將相位解調器所需的前置信號的相位轉換，用作相位檢測。輸出放大器是一個同相4級增益（3，5，10，15）的放大器，它可以通過另外兩個控制引腳選擇。因此，最大增益300和最小增益 15可以通過不同的控制引腳來組合選擇。一般來說，根據輸入信號的強度和輸出信號的要求，來選擇整體增益。

圖5　可編程放大器

解調器包含由激勵信號產生的兩個不同相的時鐘運行的開關。傳輸門電路作為開關使用，以降低電荷注入，減少較大電壓空間。解調器的輸出是通過一個低通濾波器去除高頻噪聲和尖峰值的。這里，我們使用了一個截止頻率為10 kHz的二階Sallen-Key型低通濾波器。濾波器提供了一個穩定的輸出，這個輸出被輸出放大器進一步放大。圖6和圖7分別顯示了濾波器和解調器。

圖6　低通濾波器

圖7　解調器原理圖

由于編制工藝不標準，尺寸相對微小以及傳感器結構復雜等特征，微傳感器的設計參數在封裝完成后發生了偏離。因此，差分模式下的傳感器在兩種傳感電容器之間額定電容不匹配。如果測量前不彌補這種不匹配，這種不匹配將被視為導致誤測的差分電容。為了實現消除這種誤差，片上電容器陣列已納入了ASIC范圍內。該陣列的電容器，是一套并聯電容器，利用開關連接，通過外部控制引腳進行選擇。此外，在沒有任何實物的傳感器情況下，片上電容器也可以用來測試信號調理電路，內部解碼的外部控制位塊是用來選擇片上電容器的。首先，通過選擇電容器，輸入了零傳感平衡差分結構。在均衡狀態下，ASIC的輸出位置應處在供電電源電壓的中間位置（VDD/2）上，它是共模電壓的輸出。在平衡情況下，這些控制位也可以存儲在ASIC儲器內。圖8顯示了一個簡化的電容陣列圖。

圖8　片上電容陣列

可調方波時鐘發生器為傳感器提供了激勵信號，并為解調器提供了時鐘信號。信號調理電路的方波發生器具有靈活性，使用外部調諧電壓獨立控制幅度和頻率［11］。這種可調性，不僅對于抑制傳感器的結構的變化是非常重要的，而且對于抑制封裝后集成電路影響也是重要的。完全片上方波發生器是一種以運算互導放大器（OTA）為基礎的施密特觸發器，它利用了施密特觸發器的高線性OTA來調節振幅和頻率。盡管OTA的直流增益小于（≈30 dB）傳統的運算放大器，OTA的帶寬是比較大的。在我們的設計中，OTA的帶寬超過了20 MHz為產生高達1 MHz的帶寬方波提供支持。該發生器提供了兩種不同相的方波，用于調制器的兩個不同相時鐘激勵。方波的振幅和頻率通過使用外部調諧電壓調節。圖9顯示了發生器的方框圖。方波的幅值可以調制為Ib2和Ib4，保持R1和R3不變。Ib2和R1必須分別等于Ib4和R3，以便實現同幅度不同相的方波信號。同樣的，在C和R2保持不變的情況下，所產生的信號頻率可以由Ib1和R3調節。低值電容器CS1和CS2之間增加了芯片電容器以消除差異。在該集成電路中，有6個控制位用于選擇片上電容器，最大值為1.6 pF且分辨率為25 fF。除了這些電路模塊，集成電路還包括一個偏壓發生器電路，為不同模塊提供偏壓電流，并產生900 mV的參考電壓，該信號調理集成電路運用了0.18 μm CMOS工藝設計并制作。圖10顯示了編制完成后的芯片顯微照片。

圖9　方波時鐘發生器原理圖

圖10　封裝后的ASIC顯微圖象

3　SOI MEMS加速計集成

本文目的是實現信號調理電路與電容加速度傳感器集成，構建成的一個集成的電容測量系統。為了達到這個目的，設計和制作了一個SOI MEMS電容式加速度計結構。這個SOI加速度計具有傳統的梳式結構，間隙為2.25 μm，并使用差分結構進行連接。傳感電容器的額定電容量約為5 pF，而根據設計參數，它的電容量的最大變化值約為500 fF。制作完的MEMS裝置采用了引腳陣列封裝（PGA）。首先，MEMS模片附在銀環氧樹脂引腳陣列封裝孔上。在固定模片中，應確保環氧樹脂不能溢出結構排列的頂部，同時將其固定。在封裝中，使用了不同于傳統的玻璃蓋代替金屬蓋進行封裝。這有助于在測試的后續階段的結構排列的可視化并且可以用肉眼進行檢查，而不暴露于環境條件下。

將MEMS和ASIC兩個封裝好的裝置固定在印刷電路板上（PCB），稱之為PCB集成。單封裝多片集成和單片集成是另外兩種可行的集成技術，如前所述。在單封裝集成的情況下，MEMS和ASIC模片并排放置在一個封裝槽中并用引線焊合。在這種集成中，由于MEMS和ASIC之間的連接不需要封裝引腳，所以它的測量將不受封裝寄生效應的影響，MEMS和ASIC模片模墊電容有效地增加了寄生電容。此外，對于PCB和混合集成而言，封裝和引線焊合引起的應力會改變傳感器的剛性，從而改變其共振頻率。這可能也會降低靈敏度。在單片集成的情況下，由于兩種裝置將在相同的晶片上制作，所以不存在封裝或模墊寄生效應。因此，在靈敏度，分辨率，噪聲方面，片上集成可能具有最佳的性能。

如圖11所示，在我們的PCB集成系統中，MEMS PGA封裝放置在一個ZIF插座中，靠近ASIC，它的路由長度最小，寄生元件較少。在PCB的布局圖中，傳感器與ASIC由3條的線路連接。線路連接差分結構的頂部和底盤，必須與普通節點對稱。如果不對稱，傳感電容將出現不匹配現象。此外，這些線路的長度必須很短，因為它會增加寄生電容CP，并且如果線路是對稱的，差分電容將不受影響。

圖11　MEMS傳感器和ASIC的PCB集成電路板

4　實際測試與測量

使用0.18 μm CMOS技術（圖10）制成的信號調節ASIC的電源電壓為1.8 V。參考電壓為0.9 V （VDD/2），它是ASIC本身內部通過一個帶隙參考發生器產生的。在均衡狀態下（ΔC=0），ASIC的輸出設置為VDD/2，它可以被視為輸出共模電平。對于這兩個傳感電容器，任何額定電容量的失配都可以通過片上電容器加以平衡，恢復平衡狀態。一旦平衡，電路可以測量出電容的任何變化，并提供輸出。如果ΔC為正數，ASIC的輸出將大于0.9 V，并且如果是負數，則輸出將低于參考電壓。ASIC輸出信號的浮動是±500 mV?？烧{方波發生器提供了可調的振幅和頻率方波以及軌至軌時鐘。激勵方波信號的幅值可以從280 mVpp調節到1 VPP，用來調節ASIC的靈敏度。操作電路和方波的正常頻率是500 kHz，也可以從120調整到900 kHz。首先，內置片上單獨檢測ASIC信號調理電路，無需MEMS裝置，集成系統直接進行振子檢測。

4.1內部片上電容器檢測

前面談及過，內部片上電容器能有效地用于測試ASIC，無需任何外部電容傳感器協助。盡管片上電容器的主要作用是平衡差分傳感器配置，但它還可以通過外部控制引腳使輸入電容發生變化，這種變化可以通過ASIC測量的。按照250 fF的額定電容值的選擇方法，內部電容器可以起到CS1和CS2的作用。ASIC將檢測電容的差異并提供相應的輸出?？刂埔_可以設置為最小電容變化，即25 fF。圖12顯示了ASIC的測量輸出，它的靈敏度具有可調諧性的。在該測量中，C在100 fF到1 pF之間逐步發生變化，并且片上電容器連接為CS1，這樣ΔC變成正。該測量的整體增益控制設置為15。靈敏度可以通過調節方波振幅進行調整。通過這些設置，它的靈敏度從0.3調整到大約1 mV/fF。測量結果顯示了電容變化的線性關系。

圖12　ASIC內部對于不同靈敏度片上電容變化測量輸出

4.2實際震動測試

最后將系統安裝在一個電動振子上用以測試在振動或加速度狀態下集成系統的動態響應。必須注意安裝集成系統的正確性，這樣在振子和集成系統之間不會產生任何相對的振動。模擬設備中的ADXL150參考加速度計也將安裝在我們的集成系統上。振子根據不同輸入信號的振幅和頻率而振動。傳感器結構上的加速度效果取決于對振子的驅動振幅和頻率。所用的加速度也可以通過參考加速度計測量出的輸出計算出來。圖13顯示了測量的響應，參考加速度計的頻率為30 Hz。圖13中電動振子的動態響應特性因受電磁干擾，略微有嘈雜音。

圖13　30 Hz震動頻率下集成加速度計的反應（加速度大約2.5 gn）

圖14顯示了集成加速度計輸出和商用加速度計的輸出之間的對比。測量結果中集成加速度計的靈敏度大約為60 mV/gn，而ADXL150的靈敏度約40 mV/gn。

圖15對比了測量結果與式（3）的理論值。按照式（3）計算，集成加速度計理論上的靈敏度為300 mV/gn。測量結果表明，本裝置在封裝完后以及整體系統集成后的靈敏度，相比理論估計值大大降低了。這主要是由傳感器排列以及PCB產生的寄生電容量大大地增加了C0而造成的。這也可能是在引線焊合和包裝過程中傳感器的剛度增加的原因。

圖15　實際測量結果與理論值的比較

表1總括了集成系統的測量特性。對于系統封裝后的靈敏度降低的問題，可以采取單片集成的方法，由于兩種裝置將在相同的晶片上制作，所以不存在封裝或模墊寄生效應。因此，在靈敏度，分辨率，噪聲方面，片上集成可能具有最佳的性能。

表1　提出的集成系統的測量特性

5　結論

本文設計和制作了采用片上電容陣列和可調方波發生器的信號調理電路，使用了0.18 μm CMOS技術，并組成了集成電容式傳感器測量系統，實現測量毫微微法拉級別的電容變化。ASIC電路也采用了SOI MEMS電容式加速度計結構，實際測試結果顯示，它可以如實地測量到振動實驗中MEMS傳感器的電容變化以及加速度。集成系統還能平衡傳感器的電容失配，同時可以調整整套系統的靈敏度。靈敏性調諧功能可以平衡MEMS傳感器和ASIC專用集成電路所產生的差異。此外，該信號調理電路也適用于電阻式傳感器系統，并且與其他裝置應用程序相類似。

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圖14　提出的集成加速度計與商用ADXL150加速度計的比較測量結果

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官泳華（1964-），女，漢族，四川內江人，四川職業技術學院電子電氣工程系，副教授，理學學士，研究方向為物理電子學，scguangyonghua@126.com。

Design of Capacitive Sensor Signal Conditioning Circuit Based on MEMS

GUAN Yonghua*
（Sichuan Vocational and Technical College Department of Electronic and Electrical Engineering，Suining Sichuan 629000，China）

In order to improve the sensitivity of MEMS capacitive sensor to measure low capacitance，a MEMS capacitive sensor conditioning circuit was proposed.An integrated capacitance measuring system is made by using an insulated silicon wafer（SOI）MEMS capacitive accelerometer.The signal conditioning circuit uses a set of chip capacitor array to offset the loss of the capacitor structure.The sensitivity of the adjustable system of a square wave generator is used to compensate the change of the electronic device.Circuits are designed and made by 0.18-μm CMOS technology.The experimental results show that the measurement system can accurately measure to the changes in the capacitance of the MEMS sensor and acceleration，and prove the correctness and precision of signal conditioning circuit.

capacitance measurement；MEMS；signal conditioning circuit；capacitance array

TP212；TN919.2

A

1005-9490（2016）03-0551-07

EEACC：722010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.011