基于MEMS的电容式传感器信号调理电路设计

官泳华

（四川职业技术学院电子电气工程系，四川遂宁629000）

基于MEMS的电容式传感器信号调理电路设计

官泳华*

（四川职业技术学院电子电气工程系，四川遂宁629000）

为了提高MEMS（Micro-electro-mechanical Systems）微机电系统电容式传感器测量低电容的灵敏度，提出了一种MEMS电容式传感器调理电路，并采用绝缘硅片（SOI）MEMS电容式加速度传感器组成了完整的电容测量系统。该信号调理电路采用了一组片上电容阵列用以抵消电容结构的失配。并且采用可调的方形波发生器来调谐系统的灵敏性，以此弥补电子装置制成后产生的变化。电路采用0.18-μm CMOS技术设计并制成，测量结果显示，提出的测量系统能够准确测量到MEMS传感器的电容变化以及加速度，证明了信号调理电路的正确性和精确性。

电容测量；微机电系统；信号调理电路；电容阵列

目前，MEMS传感器以其小型化，低成本，高性能特点，以及易于集成CMOS电路深受广泛的青睐［1］。在不同类型的MEMS传感器中，电阻式和电容式传感器是最普遍的类型，应用范围广。电容式传感器与电阻式传感器相比具有高灵敏度、低温度系数和低功耗的优势［2］。电容式压力传感器和加速度传感器是目前市场中最成功的微型传感器。此类传感器被广泛应用于消费电子，生物医学系统，以及汽车和空间领域中，但主要问题是来自寄生电容器和电磁干扰的影响［3］。

尽管MEMS比较适合CMOS电路集成，但是绝缘体硅片（SOI）式传感器更应是首选，因为它容易实现可移植的结构。MEMS电容式传感器的尺寸小，与传统类型的电容式传感器相比，它的额定电容量以及电容变化更小。SOI MEMS型传感器的额定电容量的范围是在几皮法拉内，电容量的变化范围在几百个千万亿分之一法拉内。尽管电容式传感器按照差分结构进行配置，以消除常见的差异并达到较大的灵敏度，但是在可比较的寄生效应下，检测微小的电容是一个巨大的挑战。差分结构下的电容失配也会产生问题。此外，集成电路（IC）也应配有适当的可编程性和调谐选项，以消除制作后产生的差异，同时保证系统在不同条件下具有灵活性和多功能性。文献［4-6］提出了不少检测电容变化的电路结构。这些电路主要有两种基本结构：（1）差分电压结构；（2）电荷放大器结构。一般而言，在两种情况下，差分电压结构作为首选，因为它平衡了普通模式的差异并具有更高的灵敏性。在差分结构中，如果一个电容器增大，那么另外一个电容器将减小，同时电容差将产生输出。在差分电压模式结构中，两个不同相的方波激活了传感电容并且调整输入信号。这种调整完的输入信号将被缓冲，放大，解调，滤波，用以产生所需的输出。这种调幅和解调，就是众所周知的斩波稳态，它提高了输出时低频噪声性能并且也减少了偏移［7-8］。在电荷放大器结构中，电容的变化转换成了等效电荷，并利用反馈电容转换成电压。在这种结构中，寄生电容产生的效果相对少于电压模式结构，因为传感器输出节点根据电容的变化来连接固定的电位和输出的。

收稿日期：2015-07-01修改日期：2015-08-02

目前，双采样开关电容式电荷放大器结构也被广泛地使用［9］。然而，大多数电路的结构相对比较复杂（因为时钟电路图复杂），并要求配备片上参考电容，而且电路的结构也受到电荷注入的影响［10］。此外，测量电路必须具有充足的调谐选项以应对传感器以及装置制作后电路本身的变化［11］。

本文设计一种具有可调灵敏度的MEMS电容式传感器的信号调理电路，有效地实现了低电容的高精度测量。在PCB板上将提出的信号调理电路集成SOI MEMS加速度传感器组成了完整的电容测量系统。整套电路采是0.18-μm CMOS技术设计并制成。并通过测量证明了该信号调理电路的正确性和精确性。

1　电容式传感系统

图1显示了电容传感器系统的总体框架图。系统主要由两个主要元件构成：（1）传感器；（2）信号调理电路。两个元件必须集成，形成一个完整的电容测量系统。现代的电容传感器系统运用了一个MEMS传感器感应输入和一个专用集成电路（ASIC）来调节信号。这种集成可以放在两个封装元件PCB上，称为PCB集成。虽然单片集成具备了最佳的性能，但它需要一个特定的制作工艺，因而会增加该装置的成本。

图1　电容式传感系统模块示意图

另一方面，PCB集成提供了一个低成本的方案，丝毫不影响系统的性能。图2显示了典型的电容式传感器系统详图。在这种配置中，传感器按照差分模式结构并通过两个不同相方形波信号激活。随着电容的差异，输出的方形波的幅度发生变化。事实上，方波驱动是由输入信号调节的，在这种情况下视为电容（ΔC）发生了变化。这个输出将被缓冲和放大。然后通过相敏解调器解调，放大和滤波，进一步达到可利用的输出。本文中，我们实现了保持电路结构简单的差分电压模式结构，这样可以容易地与MEMS电容式传感器集成。此外，我们纳入了多种调谐使系统更加灵活。

2　信号调理电路设计

图2显示了信号调理电路图，包括一个输入接口的缓冲器，前置放大器，一个单位增益反相放大器，相敏解调器，低通滤波器，输出放大器和一个可调的方波时钟发生器。

图2　差分结构下电容式传感器的信号调理电路结构框图

图3显示了传感器输入接口电路。如前所述，电容式传感器以差分模式结构产生共模抑制和高灵敏度。在该图中，CS1和CS2为感应电容。由于传感参数可能选择加速度，压力等等原因，所以当一个电容器的电容增大时，其他的电容则降低。在传感节点上，CP为寄生电容和RB是开机电阻器，以保证传感节点处在所要求的直流电位置上。通过RB的电流应低到可以设置直流偏置的位置，而不影响传感节点输出。因此，RB必须大于感应电容的电阻抗［3］。

图3　传感器和ASIC输入界面。

其中 fVs为主激励信号的频率。寄生电容CP降低了传感节点上的信号强度，因此，它始终被要求降低或减少该电容效应，获得更好的灵敏性［7］。传感节点上的输出VX和缓冲输出VOUT可以表示为：

其中，VS为方波激励信号的振幅峰值。

在式（2）中，如果CP=2ΔC，那么信号VX将被因子2减弱，从而降低了灵敏度。在基于MEMS的传感器中，基板电容的传感节点（VX）构成了CP的最大值。为了降低这种寄生效应，我们把传感器基板连接在缓冲输出上，以使通过电容器的电位差VOUT为零，从而导致有效电容变为零。考虑到前置放大器的增益（GP）和输出放大器的增益（GO），ASIC的最终输出可以写为：

2.1信号调理电路元件设计

输入接口缓冲器指的是传感器和ASIC之间的接口。因此，它必须是低噪声和低偏移的，并且栅源寄生电容要小，因此，我们使用了一个负反馈输入差级的二阶运算放大器实现接口的缓冲。图4显示了缓冲器的示意图。PMOS晶体管的闪变效应噪音比NMOS晶体管小。此外，PMOS晶体管可以用单独散体连接，最大限度地降低了栅源寄生电容。

图4　输入接口缓冲区器

放大器中差分传感器的缓冲输出被放大，同时由于此原因，运算式的放大器将用来当做一个前置放大器使用。前置放大器是一个单位增益反相放大器，也是一个输出放大器。偏置电流设置在 100 μA，以达到 55 dB直流增益。当相位容限约75°左右时，3-dB的带宽则近似10 MHz。这些参数确保了具有低偏移和稳输出特性的输入信号，能够得到适当地扩大。前置放大器是一个可编程增益的同相放大器。图5显示了缓冲器的示意图。反馈电阻是随着增益选择引脚而发生变化的，而输入电阻保持不变。通过两个控制引脚，可以选择4个增益级（5，10，15，20）中的其中一个。单位增益反相放大器将相位解调器所需的前置信号的相位转换，用作相位检测。输出放大器是一个同相4级增益（3，5，10，15）的放大器，它可以通过另外两个控制引脚选择。因此，最大增益300和最小增益 15可以通过不同的控制引脚来组合选择。一般来说，根据输入信号的强度和输出信号的要求，来选择整体增益。

图5　可编程放大器

解调器包含由激励信号产生的两个不同相的时钟运行的开关。传输门电路作为开关使用，以降低电荷注入，减少较大电压空间。解调器的输出是通过一个低通滤波器去除高频噪声和尖峰值的。这里，我们使用了一个截止频率为10 kHz的二阶Sallen-Key型低通滤波器。滤波器提供了一个稳定的输出，这个输出被输出放大器进一步放大。图6和图7分别显示了滤波器和解调器。

图6　低通滤波器

图7　解调器原理图

由于编制工艺不标准，尺寸相对微小以及传感器结构复杂等特征，微传感器的设计参数在封装完成后发生了偏离。因此，差分模式下的传感器在两种传感电容器之间额定电容不匹配。如果测量前不弥补这种不匹配，这种不匹配将被视为导致误测的差分电容。为了实现消除这种误差，片上电容器阵列已纳入了ASIC范围内。该阵列的电容器，是一套并联电容器，利用开关连接，通过外部控制引脚进行选择。此外，在没有任何实物的传感器情况下，片上电容器也可以用来测试信号调理电路，内部解码的外部控制位块是用来选择片上电容器的。首先，通过选择电容器，输入了零传感平衡差分结构。在均衡状态下，ASIC的输出位置应处在供电电源电压的中间位置（VDD/2）上，它是共模电压的输出。在平衡情况下，这些控制位也可以存储在ASIC储器内。图8显示了一个简化的电容阵列图。

图8　片上电容阵列

可调方波时钟发生器为传感器提供了激励信号，并为解调器提供了时钟信号。信号调理电路的方波发生器具有灵活性，使用外部调谐电压独立控制幅度和频率［11］。这种可调性，不仅对于抑制传感器的结构的变化是非常重要的，而且对于抑制封装后集成电路影响也是重要的。完全片上方波发生器是一种以运算互导放大器（OTA）为基础的施密特触发器，它利用了施密特触发器的高线性OTA来调节振幅和频率。尽管OTA的直流增益小于（≈30 dB）传统的运算放大器，OTA的带宽是比较大的。在我们的设计中，OTA的带宽超过了20 MHz为产生高达1 MHz的带宽方波提供支持。该发生器提供了两种不同相的方波，用于调制器的两个不同相时钟激励。方波的振幅和频率通过使用外部调谐电压调节。图9显示了发生器的方框图。方波的幅值可以调制为Ib2和Ib4，保持R1和R3不变。Ib2和R1必须分别等于Ib4和R3，以便实现同幅度不同相的方波信号。同样的，在C和R2保持不变的情况下，所产生的信号频率可以由Ib1和R3调节。低值电容器CS1和CS2之间增加了芯片电容器以消除差异。在该集成电路中，有6个控制位用于选择片上电容器，最大值为1.6 pF且分辨率为25 fF。除了这些电路模块，集成电路还包括一个偏压发生器电路，为不同模块提供偏压电流，并产生900 mV的参考电压，该信号调理集成电路运用了0.18 μm CMOS工艺设计并制作。图10显示了编制完成后的芯片显微照片。

图9　方波时钟发生器原理图

图10　封装后的ASIC显微图象

3　SOI MEMS加速计集成

本文目的是实现信号调理电路与电容加速度传感器集成，构建成的一个集成的电容测量系统。为了达到这个目的，设计和制作了一个SOI MEMS电容式加速度计结构。这个SOI加速度计具有传统的梳式结构，间隙为2.25 μm，并使用差分结构进行连接。传感电容器的额定电容量约为5 pF，而根据设计参数，它的电容量的最大变化值约为500 fF。制作完的MEMS装置采用了引脚阵列封装（PGA）。首先，MEMS模片附在银环氧树脂引脚阵列封装孔上。在固定模片中，应确保环氧树脂不能溢出结构排列的顶部，同时将其固定。在封装中，使用了不同于传统的玻璃盖代替金属盖进行封装。这有助于在测试的后续阶段的结构排列的可视化并且可以用肉眼进行检查，而不暴露于环境条件下。

将MEMS和ASIC两个封装好的装置固定在印刷电路板上（PCB），称之为PCB集成。单封装多片集成和单片集成是另外两种可行的集成技术，如前所述。在单封装集成的情况下，MEMS和ASIC模片并排放置在一个封装槽中并用引线焊合。在这种集成中，由于MEMS和ASIC之间的连接不需要封装引脚，所以它的测量将不受封装寄生效应的影响，MEMS和ASIC模片模垫电容有效地增加了寄生电容。此外，对于PCB和混合集成而言，封装和引线焊合引起的应力会改变传感器的刚性，从而改变其共振频率。这可能也会降低灵敏度。在单片集成的情况下，由于两种装置将在相同的晶片上制作，所以不存在封装或模垫寄生效应。因此，在灵敏度，分辨率，噪声方面，片上集成可能具有最佳的性能。

如图11所示，在我们的PCB集成系统中，MEMS PGA封装放置在一个ZIF插座中，靠近ASIC，它的路由长度最小，寄生元件较少。在PCB的布局图中，传感器与ASIC由3条的线路连接。线路连接差分结构的顶部和底盘，必须与普通节点对称。如果不对称，传感电容将出现不匹配现象。此外，这些线路的长度必须很短，因为它会增加寄生电容CP，并且如果线路是对称的，差分电容将不受影响。

图11　MEMS传感器和ASIC的PCB集成电路板

4　实际测试与测量

使用0.18 μm CMOS技术（图10）制成的信号调节ASIC的电源电压为1.8 V。参考电压为0.9 V （VDD/2），它是ASIC本身内部通过一个带隙参考发生器产生的。在均衡状态下（ΔC=0），ASIC的输出设置为VDD/2，它可以被视为输出共模电平。对于这两个传感电容器，任何额定电容量的失配都可以通过片上电容器加以平衡，恢复平衡状态。一旦平衡，电路可以测量出电容的任何变化，并提供输出。如果ΔC为正数，ASIC的输出将大于0.9 V，并且如果是负数，则输出将低于参考电压。ASIC输出信号的浮动是±500 mV。可调方波发生器提供了可调的振幅和频率方波以及轨至轨时钟。激励方波信号的幅值可以从280 mVpp调节到1 VPP，用来调节ASIC的灵敏度。操作电路和方波的正常频率是500 kHz，也可以从120调整到900 kHz。首先，内置片上单独检测ASIC信号调理电路，无需MEMS装置，集成系统直接进行振子检测。

4.1内部片上电容器检测

前面谈及过，内部片上电容器能有效地用于测试ASIC，无需任何外部电容传感器协助。尽管片上电容器的主要作用是平衡差分传感器配置，但它还可以通过外部控制引脚使输入电容发生变化，这种变化可以通过ASIC测量的。按照250 fF的额定电容值的选择方法，内部电容器可以起到CS1和CS2的作用。ASIC将检测电容的差异并提供相应的输出。控制引脚可以设置为最小电容变化，即25 fF。图12显示了ASIC的测量输出，它的灵敏度具有可调谐性的。在该测量中，C在100 fF到1 pF之间逐步发生变化，并且片上电容器连接为CS1，这样ΔC变成正。该测量的整体增益控制设置为15。灵敏度可以通过调节方波振幅进行调整。通过这些设置，它的灵敏度从0.3调整到大约1 mV/fF。测量结果显示了电容变化的线性关系。

图12　ASIC内部对于不同灵敏度片上电容变化测量输出

4.2实际震动测试

最后将系统安装在一个电动振子上用以测试在振动或加速度状态下集成系统的动态响应。必须注意安装集成系统的正确性，这样在振子和集成系统之间不会产生任何相对的振动。模拟设备中的ADXL150参考加速度计也将安装在我们的集成系统上。振子根据不同输入信号的振幅和频率而振动。传感器结构上的加速度效果取决于对振子的驱动振幅和频率。所用的加速度也可以通过参考加速度计测量出的输出计算出来。图13显示了测量的响应，参考加速度计的频率为30 Hz。图13中电动振子的动态响应特性因受电磁干扰，略微有嘈杂音。

图13　30 Hz震动频率下集成加速度计的反应（加速度大约2.5 gn）

图14显示了集成加速度计输出和商用加速度计的输出之间的对比。测量结果中集成加速度计的灵敏度大约为60 mV/gn，而ADXL150的灵敏度约40 mV/gn。

图15对比了测量结果与式（3）的理论值。按照式（3）计算，集成加速度计理论上的灵敏度为300 mV/gn。测量结果表明，本装置在封装完后以及整体系统集成后的灵敏度，相比理论估计值大大降低了。这主要是由传感器排列以及PCB产生的寄生电容量大大地增加了C0而造成的。这也可能是在引线焊合和包装过程中传感器的刚度增加的原因。

图15　实际测量结果与理论值的比较

表1总括了集成系统的测量特性。对于系统封装后的灵敏度降低的问题，可以采取单片集成的方法，由于两种装置将在相同的晶片上制作，所以不存在封装或模垫寄生效应。因此，在灵敏度，分辨率，噪声方面，片上集成可能具有最佳的性能。

表1　提出的集成系统的测量特性

5　结论

本文设计和制作了采用片上电容阵列和可调方波发生器的信号调理电路，使用了0.18 μm CMOS技术，并组成了集成电容式传感器测量系统，实现测量毫微微法拉级别的电容变化。ASIC电路也采用了SOI MEMS电容式加速度计结构，实际测试结果显示，它可以如实地测量到振动实验中MEMS传感器的电容变化以及加速度。集成系统还能平衡传感器的电容失配，同时可以调整整套系统的灵敏度。灵敏性调谐功能可以平衡MEMS传感器和ASIC专用集成电路所产生的差异。此外，该信号调理电路也适用于电阻式传感器系统，并且与其他装置应用程序相类似。

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图14　提出的集成加速度计与商用ADXL150加速度计的比较测量结果

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官泳华（1964-），女，汉族，四川内江人，四川职业技术学院电子电气工程系，副教授，理学学士，研究方向为物理电子学，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