1、電容式傳感器是將被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一類(lèi)傳感器，它廣泛應(yīng)用在壓力、濕度、溫度和加速度等測(cè)量中。隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)設(shè)計(jì)與加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，已研制出包括微型壓力傳感器、濕度傳感器、加速度計(jì)，化學(xué)和生物傳感器等產(chǎn)品。在國(guó)內(nèi)，尚無(wú)成熟的電容傳感器接口集成電路投入市場(chǎng)。對(duì)于MEMS微電容傳感器，采用傳統(tǒng)的分立元件搭制接口電路將無(wú)法滿足精度要求，因此設(shè)計(jì)匹配的接口集成電路是十分必要的。本文分析了國(guó)外微電容傳感器的處理電路

2、的典型形式，比較了各種微電容測(cè)量電路的特點(diǎn)，選擇了電容——頻率轉(zhuǎn)化電路作為本實(shí)驗(yàn)室的氣壓和濕度傳感器提供檢測(cè)的接口集成電路形式。 本文在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室2002年開(kāi)發(fā)的濕度傳感器接口電路的基礎(chǔ)上，提出了一種新穎的電路形式，通過(guò)對(duì)兩頻率求差來(lái)抑制各種共模干擾。對(duì)原電路進(jìn)行了功能測(cè)試，歸納其性能不理想的表現(xiàn)、提取電路的參數(shù)、分模塊再仿真，找出了不理想的原因。在此基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)各模塊的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，優(yōu)化各功能模塊的特性，以使整體性能達(dá)到最優(yōu)

3、。提出了六管Schmitt觸發(fā)器的修正設(shè)計(jì)公式，使得高低閾值電平更加符合設(shè)計(jì)值。為了滿足不同電容值的傳感器，同時(shí)為了克服頻率輸出受溫度、電源波動(dòng)等干擾的影響，論文提出了頻率處理電路的設(shè)計(jì)。采用一定的電路將不同的頻率輸出范圍統(tǒng)一到某一帶寬內(nèi)。創(chuàng)新點(diǎn)在于參考頻率振蕩器的設(shè)計(jì)，參考頻率和信號(hào)頻率隨溫度等參數(shù)有相同的變化趨勢(shì)，兩頻率相減抵消了這些影響。采用Pspice電路仿真工具對(duì)全電路溫度、電源和工藝敏感性進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，與單級(jí)振蕩器比較

4、，這種電路結(jié)構(gòu)使得電源波動(dòng)、工藝波動(dòng)和溫度的影響分別減少了97﹪、80﹪和77﹪，設(shè)計(jì)靈敏度達(dá)到60Hz/fF。 本文采用Tanner<'TM>L-edit軟件完成了版圖設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，充分考慮到與MEMS電容傳感器工藝兼容，選擇采用CMOS工藝線，實(shí)現(xiàn)傳感器和處理電路的芯片集成。對(duì)電路的關(guān)鍵器件的版圖設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。充分考慮了布局布線對(duì)模擬電路的影響，完成了DRC文什、版圖參數(shù)提取文件等必要的版圖設(shè)計(jì)的輔助文檔，通過(guò)后仿真驗(yàn)證了

5、版圖與原理圖的一致性。 電路的制備采用2μmP阱單層金屬工藝，在電子科技集團(tuán)58所流片成功。給出了工藝參數(shù)和各主要模塊的測(cè)試條件和測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明Schmitt觸發(fā)器、比較器等核心器件性能符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。給出了在不同參數(shù)條件下的電容——頻率曲線，分析了外接電阻對(duì)輸出信號(hào)頻率與占空比的影響。電源波動(dòng)等因素對(duì)頻率輸出基本無(wú)影響。最終得到的電路靈敏度為3Hz/fF，同時(shí)對(duì)于實(shí)際靈敏度小于設(shè)計(jì)靈敏度的原因給出了分析。 本文最后闡