CN105004259B - 一种电容式mems传感器检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电容式MEMS传感器检测电路。该电路用来检测MEMS的极板位移变化，主要包括：一个产生正弦波的高频振荡电路；两个C^‑1/V检测电路；差分放大电路；相移网络；乘法电路；低通滤波电路和放大输出电路。高频振荡电路产生三路同相的正弦波，其中两路提供给两个C^‑1/V检测电路，以完成对MEMS的极板位移引起的C^‑1变化的检测；差分放大电路用以消除本体电容带来的影响，提高检测的精度；相移网络用于补偿经过C^‑1/V电路的相移，确保输入乘法电路的信号相位相同；低通滤波电路滤掉乘法器输出信号的高次谐波，提取出反映MEMS极板位移变化的信号，从而完成对MEMS极板位移变化的检测。

Description

一种电容式MEMS传感器检测电路

技术领域

本发明涉及MEMS传感器的微弱信号检测领域，更具体涉及一种电容式MEMS传感器检测电路。

背景技术

近年来，随着电容式MEMS应用的不断推广,对MEMS接口电路也提出了新的要求。但是现阶段的电容式MEMS的接口电路，大部分都是基于C的测量电路，只有在在静态时极板间距远大于动态变化间距非线性才能得到一定的减少，否则非线性非常明显。同时，目前普遍采用的斩波稳定法和双相关采样法对MEMS电容检测都有一定的局限性：斩波稳定法，电路的相对延迟会对测量造成很大影响，而且方波的带来的谐波会使各频段内的噪声在基带信号内的堆叠；双相关采样法，有所改善但是还是存在时钟馈通，电荷注入，噪声混叠输入带宽不足等局限性。同时上述电容检测方法会因接口处的寄生效应产生很大误差。

发明内容

为克服上述缺点，本发明提出了一种电容式MEMS传感器检测电路。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案。

一种电容式MEMS传感器检测电路，用于输出与MEMS极板间距变化对应的电信号，检测MEMS的极板位移变化，其包括：高频振荡电路(1)、C^-1/V电路(2)；差分放大电路(3)、乘法器电路(4)、低通滤波器(5)、放大输出电路(6)和相移网络(7)；其中，高频振荡电路(1)产生三路正弦信号，其中两路正弦信号分别输出至两个C^-1/V检测电路(2)，两个C^-1/V检测电路分别输出至差分放大电路(3)的两个输入端子，对两路C^-1/V信号进行差分放大，以消除MEMS接口处本体电容带来的影响，输出至乘法器电路(4)的一个输入端子；而三路正弦信号的另外一路输出至相移网络电路(7)，经过相移后输出至乘法器的另外一个输入端子；乘法器对差分放大后的C^-1/V信号进行解调输出至低通滤波电路(5)，经过低通滤波后输出至放大输出电路(6)，经过放大器的缓冲后输出。

进一步地，所述两个C^-1/V检测电路，区别于传统的C/V电路，用于检测C^-1而非C值，C^-1和极板间距呈现线性关系。而传统的C/V检测电路更多的是利用对基板间距变化远小于静态基板间距时的一种近似。

进一步地，所述两路正弦信号通过C^-1/V检测电路后，经过差分放大电路，对两路测量信号进行差分放大，以消除本体电容的影响，提高测量精度。

进一步地，所述相移网络，主要用于使经过C^-1/V检测电路的信号与另一路直接送入乘法电路的信号正交，通过所述相移网络对高频振荡电路产生的正弦信号进行相位补偿。

进一步地，所述乘法电路，通过将两路信号相乘以解调出要测量的C^-1信号，而不是简单地进行峰值检测；与峰值检测方法相比，本发明所输出信号的信噪比更高。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明提出的一种电容式MEMS传感器检测电路，实现对于变间距式MEMS的电容的极板微小位移变化进行检测，具有输出信号与极板间距高度线性一致的优点，本发明提出的C-1/V电路是通过检测被检测电容阻抗值，而非传统的通过充放电来检测电容，相比之下进行C-1/V检测精度更高，从而实现对MEMS的电容极板间微小位移变化的精确检测。本发明提出的电路结构与现有的开关采样电路相比，具有电路结构简单，容易实施，信噪比高的优点。

附图说明

图1为实例中的电容式MEMS极板位移检测电路的结构及信号传输框图。

图2为一种典型梳状MEMS结构示意图。

图3为本发明实例的C^-1/V电路。

图4为本发明实例的差分放大电路。

图5为本发明实例的相移网络。

图6为本发明实例的乘法器电路。

图7为本发明实例的低通滤波器电路。

图8为本发明实例的低通滤波器电路频域响应图。

图9为本发明变间距电容式MEMS的C^-1/V和传统C/V检测电路的对比。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

参照图1，本实例的电容式MEMS极板位移检测电路包括：高频振荡电路1；C^-1/V电路2；差分放大电路3；乘法器电路4；低通滤波器5；放大输出电路6；相移网络7。

高频振荡电路，用于产生高频弦波，输出至C^-1/V电路和相移网络；

C^-1/V电路，检测通过检测C^-1变化检测出MEMS极板位移变化；

差分放大电路，用于将两路C^-1/V信号进行差分放大输出至乘法电路解调，同时各级间用电容连接，以降低前级1/f噪声影响；

乘法电路，用来将差分输出的C^-1/V信号与高频振荡源同频率非正交的正弦信号混频以解调出传感器的采集信号；

相移网络，要保证参与混频的两个正弦信号不正交，因为经过C^-1/V电路的正弦有相移，所以需要对另外一路进行一定的相移补偿。

放大输出电路，因为考虑到乘法电路的动态范围，前面差分放大出来的信号不能太大，所以必须通过本级电路来放大，同时作为电路缓冲输出。

低通滤波器，滤掉高次谐波，输出反映MEMS极板位移变化的信号。

若MEMS的某一活动极板发生位移Δd，那么对于差分结构的MEMS器件而言同时会有相对极板发生-Δd位移，其介质相对介电系数为ε，静态时前后活动极板的与固定极板间距都为d。前后活动极板与固定极板形成的电容分别为c₁，c₂，而ε₀是真空中的介电常数，S是两极板相对的面积，则此时：

参照图1所示，运算放大器前是两个等值的电阻，用来控制电流大小。若高频振荡电路产生的正弦波时域表达式为A.sin(w.t)(A正弦信号幅值，w是正弦信号频率，其中w＞＞所测信号频率),那么两路C^-1/V检测电路的两路输出分别是：

(R是连接高频振荡电路和C^-1/V的限流电阻) (3)

(R是连接高频振荡电路和C^-1/V的限流电阻) (4)

所以C^-1/V输出信号电压之差ΔU为：

将式(1)，(2)代入式(5)得

参照图4所示，这是一个对称结构的该差分放大电路，将对C^-1/V电路输出的信号差进行放大，电路的各级间用电容耦合，这样消除了前级的零漂带来的影响。若该差分放大电路的增益为G，则输出至乘法器的信号U₁为：

参照图1所示，通过将C^-1/V电路信号在与振荡源的另外一路同频信号混频以解调出所测频段信号。考虑到C^-1/V和差分放大电路的相移作用(假设为Δφ)，同时另外一路的正弦信号强度U₂为B.sin(w.t+Δφ)(B为高频振荡电路产生的正弦信号经过相移网络后的幅值，Δφ为相移网络的补偿相移),在乘法器增益为0dB时乘法器输出为U_{Mixer_Out}：

U₂＝B.sin(w.t+Δφ) (8)

化简后得：

混频器输出信号包括cos(2.w.t+Δφ).Δd，Δd项，其中cos(2.w.t+Δφ).Δd为高次谐波项，将被低通滤波器滤掉，在低通滤波器通带内增益为0dB时，则低通滤波器输出U_Lp为：

若缓冲放大器增益为C，那么最后放大器输出U_out：

从以上推导可知，该电路能够通过对称差分结构最大限度的消除加工精度不足带来的误差和电路的寄生效应带来的影响，比如接口处的寄生电容可以看做是前后极板增加的两个电容，经过差分结构后将大大消除接口处寄生电容的影响，同时检测信号通过和高频信号相乘能很好地避开1/f噪声带来的影响。

典型的梳状结构MEMS传感器的结构和其尺寸如图2所示。利用本发明的电容检测电路对其电容进行检测，其结构参数如下：电极对数n＝12，静态间距d＝10um，电容极板相对面积S＝(455X120)um²。

真空中的介电常数取ε₀＝8.85*10^(-12)F/m，硅相对介电系数取ε＝12，电容的每对静态极板间距为d＝10um，其动态变化范围是(-5um,5um),振荡电路输出至两路C^-1/V检测电路的幅值为A＝1mv。

采用图3所示电路中第一电阻R₂₀₁＝1K Ohm,第二电阻R₂₀₂＝1K Ohm，被检测MEMS的等效电容按图3所示连接：分别将等效电容的两极连连接在第一运算放大器U₂₀₁，第二运算放大器U₂₀₂的输出和反向端子之间。

正弦信号通过C^-1/V后，经过如图4的差分放大电路。其中第一运算放大器为U₃₀₁，第二运算放大器为U₃₀₂，第三运算放大器为U₃₀₃，第一电容C₃₀₁＝1uf，第二电容C₃₀₂＝1uf,第三电容C₃₀₃＝1uf，第四电容C₃₀₄＝1uf，都是隔直耦合电容。第一电阻R₃₀₁＝100Ohm，第二电阻R₃₀₂＝100Ohm，第三电阻R₃₀₃＝1K Ohm，第四电阻R₃₀₄＝1K Ohm，第五电阻R₃₀₅＝100Ohm，第六电阻R₃₀₆＝100Ohm,第七电阻R₃₀₇＝10K Ohm，第八电阻R₃₀₈＝10K Ohm，使该级增益G＝60dB。

振荡电路输出至相移网络以补偿通过C^-1/V和差分放大电路的产生的相移。采用图5所示电路，其中U₄₀₁为第一运算放大器，第一电阻R₄₀₁＝10K Ohm，第二电阻R₄₀₂＝10k Ohm，第一电容C₄₀₁＝1nf，振荡电路通过第一电阻R₄₀₁连接第一运算放大器U₄₀₁的反相输入端，同时第一运算放大器U₄₀₁的反相输入端和输出端通过第二电阻R₄₀₂以及第一电容C₄₀₁并联连接以完成对乘法电路另外一路输入的相位补偿。

在图6乘法器电路中，第一电容C₅₀₁＝1uf，第二电容C₅₀₂＝1uf都为隔直耦合电容，第一运算放大器U₅₀₁，第一NPN型三极管U₅₀₂，第二NPN型三极管U₅₀₃，第一电阻R₅₀₁＝第六电阻R₅₀₆，第二电阻R₅₀₂＝第七电阻R₅₀₇，作为乘法器的偏置电路，而第三电阻R₅₀₃＝530Ohm，第四电阻R₅₀₄＝10K Ohm，第五电阻R₅₀₅＝530Ohm,使乘法器增益接近为0dB。

图7是一个通带为DC-34K Hz的6阶巴特沃斯低通滤波器，图中U₆₀₁是第一运算放大器，U₆₀₂是第二运算放大器，U₆₀₃是第三运算放大器，而第一电阻R₆₀₁＝9.5K Ohm，第二电阻R₆₀₂＝18K Ohm，第三电阻R₆₀₃＝8.3K Ohm，第四电阻R₆₀₄＝12K Ohm，第五电阻R₆₀₅＝2.4KOhm，第六电阻R₆₀₆＝5K Ohm，第一电容C₆₀₁，第二电容C₆₀₂，第三电容C₆₀₃，关系为C₆₀₁＝C₆₀₂＝C₆₀₃＝330pf，第四电容C₆₀₄＝390pf，第五电容C₆₀₅＝680pf,第六电容C₆₀₆＝6nf,其频域响应如图8所示。

最后对滤波器输出进行放大缓冲输出，放大器的增益为C＝40dB,最后将各级电路参数代入式(11)可得出输出电压同本检测MEMS极板间距变化的关系，如图9所示。

Claims (3)

1.一种电容式MEMS传感器检测电路，用于输出与MEMS极板间距变化对应的电信号，检测MEMS的极板位移变化，其特征在于包括：高频振荡电路(1)、C^-1/V检测电路(2)；差分放大电路(3)、乘法器电路(4)、低通滤波器(5)、放大输出电路(6)和相移网络(7)；其中，高频振荡电路(1)产生三路正弦信号，其中两路正弦信号分别输出至两个C^-1/V检测电路(2)，两个C^-1/V检测电路分别输出至差分放大电路(3)的两个输入端子，对两路C^-1/V信号进行差分放大，以消除MEMS接口处本体电容带来的影响，输出至乘法器电路(4)的一个输入端子；而三路正弦信号的另外一路输出至相移网络电路(7)，经过相移后输出至乘法器的另外一个输入端子；乘法器对差分放大后的C^-1/V信号进行解调输出至低通滤波电路(5)，经过低通滤波后输出至放大输出电路(6)，经过放大器的缓冲后输出；所述两个C^-1/V检测电路，区别于传统的C/V电路，用于检测C^-1而非C值，C^-1和极板间距呈现线性关系；所述两路正弦信号通过C^-1/V检测电路后，经过差分放大电路，对两路测量信号进行差分放大，以消除本体电容的影响，提高测量精度；

若MEMS的一活动极板发生位移Δd，那么对于差分结构的MEMS器件而言同时会有相对极板发生-Δd位移，其介质相对介电系数为ε，静态时前后活动极板的与固定极板间距都为d；前后活动极板与固定极板形成的电容分别为c₁，c₂，而ε₀是真空中的介电常数，S是两极板相对的面积，则此时：

运算放大器前是两个等值的电阻，用来控制电流大小；若高频振荡电路产生的正弦波时域表达式为A·sin(w·t)，A正弦信号幅值，w是正弦信号频率，其中w＞＞所测信号频率,那么两路C^-1/V检测电路的两路输出分别是：

R是连接高频振荡电路和C^-1/V的限流电阻；所以C^-1/V输出信号电压之差ΔU为：

将式(1)，(2)代入式(5)得

这是一个对称结构的该差分放大电路，将对C^-1/V电路输出的信号差进行放大，电路的各级间用电容耦合，这样消除了前级的零漂带来的影响；若该差分放大电路的增益为G，则输出至乘法器的信号U₁为：

通过将C^-1/V电路信号在与振荡源的另外一路同频信号混频以解调出所测频段信号；考虑到C^-1/V和差分放大电路的相移作用，假设为Δφ，同时另外一路的正弦信号强度U₂为B·sin(w·t+Δφ)，B为高频振荡电路产生的正弦信号经过相移网络后的幅值，Δφ为相移网络的补偿相移,在乘法器增益为0dB时乘法器输出为U_{Mixer_Out}：

U₂＝B·sin(w·t+Δφ) (8)

化简后得：

混频器输出信号包括cos(2·w·t+Δφ)·Δd，Δd项，其中cos(2·w·t+Δφ)·Δd为高次谐波项，将被低通滤波器滤掉，在低通滤波器通带内增益为0dB时，则低通滤波器输出U_Lp为：

若缓冲放大器增益为C，那么最后放大器输出U_out：

2.根据权利1要求所述的一种电容式MEMS传感器检测电路，其特征在于：所述相移网络，主要用于使经过C^-1/V检测电路的信号与另一路直接送入乘法电路的信号正交，通过所述相移网络对高频振荡电路产生的正弦信号进行相位补偿。

3.根据权利1要求所述的一种电容式MEMS传感器检测电路，其特征在于：所述乘法电路，通过将两路信号相乘以解调出要测量的C^-1信号。