基于MEMS技术微电容压力传感器转换电路的设计

要： 在交流激励、 电容 － 电压转换测量方案中， 针对测量信号微弱、 干扰、 温漂大的问题， 从测量原理、 误差产生、 抗杂散性等方面进行了分析， 对转换电路中的运算放大器引入了负反馈 ， 并 摘 对反馈元件取值进行了研究和实验 ， 得出了实验仿真与调试结果， 并给出该电路的误差分析与校正 。 ， 、 、 曲线 仿真结果显示 该电路在抗杂散性 抗温漂 提高分辨率和信噪比方面满足设计要求 。 关键词： 传感器； 微电容； 交流激励； 电容 － 电压转换； 负反馈 中图分类号： TP391 文献标志码： A 文章编号： 1001 － 7011 （ 2010 ） 03 － 0407 － 04
3
3. 1
仿真实验
仿真建立与输出 按图 5 所示的电原理图， 启动 Multisim， 建立电容 － 电压转换电路图文件， 进行仿真电原理图的创建， 通 过元件工具栏（ Component Toolbar） 进行元器件的选用， 通过仪表工具栏（ Instrument Toolbar） 进行仪表的选
B 通道接信号源， 用。 虚拟示波器 A 通道测量电路输出端， 可以同时观察两个信道的波形， 从而判断两个信号 的幅值和频率。 图 6 是电容 － 电压转换电路仿真虚拟示波器输出图 ， 利用虚拟示波器的标尺功能观察两个信号的幅值 19. 320 V． 和频率， 观测得到： 二者频率形同， 峰峰值分别为 12. 980 V，
： （ 1）
（ 2）
式 （ 2 ） 表明 ， 输出电压值正比于被测电容值 。 为了使直接反映被测电容的变化量 ， 目前常用的是带负反馈 回路的 C / V 转换电路 。 这种电路的特点是抗杂散性好 、 分辨率高 。 由于采用交流放大器 ， 所以低漂移 、 高 信噪比 。
收稿日期： 2009 － 12 － 08 基金项目： 黑龙江省自然科学基金资助项目（ A200805 ） 作者简介： 何立志（ 1966 － ） ， 男， 高级工程师， 硕士， 主要研究方向： 传感器技术
［ 5］
Table 1
C（ ） X pF 1.0
V （ V） 2.294 6.880 8.258 11.011 12.381 13.760 16.511 17.895
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第 27 卷
将被测电容值在 1 ～ 7. 8 pF 范围内取 8 组数据进行仿真， 仿真结果如表 1 。 ［ 5］ 根据仿真数据， 拟合 C x － V 曲线 ， 可得出 C x 和输出电压的幅值之间的曲线如图 7 所示， 获得 C x － V 曲 线的传递函数为 y = 2. 276 8 x － 0. 003 。 测试电路灵敏度约为： （ 6. 880 － 2. 294 ） / （ 3. 0 － 1. 0 ） = 2. 293V / pF。
| jωC s3 | 1 s， | jωC s4 | 1 s， R s2 1 Ω， 即 | jωC x | 1 s， 且 R s1 1 Ω， 那么 B →1 ， 则 阻 R S1 和 R S2 一般均小于 1 欧姆， 式（ 3 ） 可近似为： V O ' ≈ － jωC x Z f ·V i = V O 显然， 该电路具有良好的抗杂散干扰的能力 2. 2 电路原理误差分析
（ 5）
由上式可知， 电路的输出与杂散电容 C S1 存在函数关系， 当且仅当： R i = 0 时， 输出达到最大值， 等于理想状态 下的输出 V O 。
Rf Rf
Vi
Ri
Cx Cs1Βιβλιοθήκη Baidu+ Vo
Vi
Cx Cs2 + Vo
图3 Fig.3
考虑 CS1 的等效电路 Fig.4
图4
考虑 CS2 的等效电路
［ 7］ A od 愈大， 很显然， 相对误差量与杂散电容 C S2 有关， 这时不能消除杂散电容的影响 ， 从式 （ 7 ） 中可以看出， | jω（ C x + C S2 ） ·Z f | 愈小， 相对误差量愈小。 同时考虑运放的电压放大倍数、 输入阻抗为有限值， 即 A od ≠ ∞
且 r id ≠ ∞ 时， 运算放大器有输入电流， 此时的输出为 A od ·jωC x Z f VO ' = － ·V i A od + 1 + jω（ C x + C s1 ） Z f + Z f / r id 则相对误差为 δv = － Zf 1 + jω（ C x + C S2 ） Z f + Z f / r id 1 ［ 1 + jω（ C x + C S2 ） Z f ］－ ≈ A od + 1 + jω（ C x + C s1 ） Z f + Z f / r id A od A od ·r id
Capacity metering used in alternating current stimulation circuit
C S4 和传输电阻 R S1 、 R S2 ， 另外杂散干扰还有杂散电容 C S3 、 根据图 2 ， 可得出考虑杂散干扰的存在时的输 出为： VO ' = － jωC x Z f ·V i B （ 3）
（ 8）
（ 9）
式中包含了两项， 通过与式（ 7 ） 对比可以看出， 其中第一项与式（ 7 ） 相同， 代表 A od ≠ ∞ 时产生的误差， 第二 A od 愈大， jω（ C x + 显而易见， 杂散电容 C S2 也影响着输出。 由此式可知， 项则代表 r id ≠ ∞ 时产生的误差。
［ 8］ C S2 ） Z f 和 Z f / r id 愈小， 则相对误差愈小， 测量精度愈高 。
C-V transformation simulation oscilloscope output
表1 输出电压与测试电容之间的关系表 Relation between output and capacity
3.0 3.6 4.8 5.4 6.0 7.2 7.8
3. 2
标定曲线
先选取被测电容 C x 变化范围是 1 ～ 7. 8 pF， 在 该仿真电路中， 调整被测电容 C x 的大小， 观察输出 波形变化 。 电容值改变到最小值 1. 0 pF， 观察输 出波形图， 读取此时的电压值。 重复仿真实验， 依次
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2. 1
误差分析
电路抗杂散性分析
电容测量电路中的杂散电容主要来自两个方面 ， 具体杂散干扰的分布见图 2 ， 其中 C S1 和 C S2 分别是两极 C S3 和 C S4 为两极板与地间的杂散电容， R S1 和 R S2 为传输导线的导通电阻。 板与传感器屏蔽罩间的耦合电容 ， V i 为稳压电源， C S1 只与 V i 并联， 理想情况下， 即内阻为零， 它的存在并不产生通过流向运算放大器的电流 ， 则 C S1 对输出的影响可忽略； 理想运算放大器的直流增益、 C S2 与运放的反相端相连， 输入阻抗均为无穷大， 一直 C S2 的两端无电位差， 处于虚地状态， 则它的存在也不会对输出产生影响 。
Rf 正弦信号发生器 U（ ） s t CS1 Cx CS2 + D U（ ） o t Vi CS1 RS1 CS3 CS4 RS2 CS2 + Vo Cf Rf
［ 3］
图1 Fig.1
流激励电容测量电路 图2 Fig.2 路杂散电容的分布 Stray capacity′s distribution in circuit
1
测量电路原理
交流激励电容测量电路的 C / V 转换电路基本原理如图 1 所示。正弦信号 U S （ t ） 对被测电容进行激励，
［ 1］
激励电流流经由反馈电阻 R f 、 反馈电容 C f 和运放组成的检测器 D 转换成交流电压 U0 （ t） U0 （ t ） = － 若 jωR f C f 1 ， 则（ 1 ） 式为 U0 （ t ） = － Cx U （ t） Cf S jωR f C x U （ t） 1 + jωR f C f S
［ 6］
。为
第3 期
何立志等： 基于 MEMS 技术微电容压力传感器转换电路的设计
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了清楚地说明运放这两个参数对输出的影响 ， 本文分别分析两个参数为有限值时输出量 （ 仅仅考虑 C S2 的影 响） 。当运放的电压放大倍数为有限值 ， 即 A od ≠∞ 时， 等效电路见图 4 。 输入端与地之间的电位差 V ∑ = － V' / A od ， 则可得到此时的输出 VO ' = － 带来的相对误差量为 δv = － 1 + jω（ C x + C S2 ） Z f 1 ［ 1 + jω（ C x + C S2 ） Z f ］ ≈－ A od + 1 + jω（ C x + C s1 ） Z f A od （ 7） A od jωC x Z f ·A od ·V i + 1 + jω（ C X + C S1 ） Z f （ 6）
［ 4］
（ 4）
。
在实际应用中， 激励信号并不是理想的稳压电源 ， 它有一定的内阻， 这样会引起测量误差， 而且杂散电容 ［ 5］ C S1 必然会对输出有一定的影响 。在这里分析一下， 由于稳压电源在非理想情况下， 输出的变化。 当激励 信号的内阻为 R i 时， 电路中仅考虑杂散电容 C S1 ， 其电路情况如图 3 所示， 则此时的输出为 jωC x Z f VO ' = － ·V i 1 + jωR i （ C x + C S1 ）
第 27 卷
第3 期
黑龙江大学自然科学学报
JOURNAL OF NATURAL SCIENCE OF HEILONGJIANG UNIVERSITY
Vol. 27 No. 3 June， 2010
2010 年 6 月
基于 MEMS 技术微电容压力传感器转换电路的设计
1 何立志 ， 刘
群
2
（ 1． 黑龙江大学 物理科学与技术学院， 哈尔滨 150080 ； 2． 哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院， 哈尔滨 150001 ）
0
引
言
微电容式传感器在微机电一体化系统中担负信号检测与转换任务 ， 其工作性能、 稳定性、 可靠性决定了 ［ 1］ 整个微机电系统性能 ， 而微电容传感检测电路又是微电容传感器中的重点环节， 实际电路所处理的电容 电容传感器电缆杂散电容的影响非常明显 ， 杂散电容会随温度、 结构、 位置、 内外电场分布及 变化非常微小， ［ 2］ 器件的选取等诸多因素的影响而变化 ， 因此微小电容测量电路必须满足动态范围大 、 测量灵敏度高、 低噪 声、 抗杂散性等要求。 本文针对微电容检测转换电路拓扑结构 、 性能指标、 抗扰性等方面进行研究。对测量电路原理、 抗扰性、 误差进行理论分析。鉴于微电容式传感器系统中电容的变化范围为皮法至飞法数量级 ， 测量电路信噪比要 求非常高， 因而对变化环节的放大器引入电容电阻负反馈电路 ， 通过反复仿真调试和实验， 对交流激励电容 给出该电路的误差分析与校正曲线 ， 从仿真来看， 电路在抗杂散性、 抗 测量电路的关键元件参数进行了优化 ， 温漂、 提高分辨率和信噪比方面得到明显改进 。
XFG1 6
V1 12V
C2 1.5pF R1 1.8M赘 + TL082 U1 4 R2 20M赘
XSC1
3
V2 12V
0
C1 1 1pF 5 C4 100pF
C3 100pF
图5 Fig.5
电容-电压转换电路仿真窗口视图
图6 Fig.6
电容-电压转换电路仿真虚拟示波器输出图
C-V transformation simulation window
2 上式中 B = 1 + jωR s1 （ C x + C s3 ） + jωR s2 （ C x + C s4 ） － ω （ C x C s3 + C x C s4 + C s3 C s4 ） ． 结合实际应用情况， 激励信号 的角频率 ω 达数兆弧度 / 秒， 被测电容 C x 为皮法级电容， 杂散电容 C S3 和 C S4 一般为数十或数百皮法， 传输电
The equivalent circuit considering CS1
The equivalent circuit considering CS2
只有运算放大器工作在理想情况下 ， 杂散电容 C S2 才不会对输出有影响。但是在实际应用中， 并不是理 rid 输入阻抗很大， 想运放， 其电压放大倍数 A od 、 但均是有限值， 则输入端与地之间存在一定的电位差