微机械电容式加速度计检测电路设计

　　0　引　言

　　微机械电容式加速度计是以MEMS技术为基础发展起来的微型加速度传感器,其敏感部位为差分电容结构,可利用差分电容的变化来反映被测加速度信 号的变化[1]。由于电容式加速度计具有精度高、噪声特性好、漂移低、温度敏感性小、功耗低、结构简单等优点,逐渐成为硅微加速度传感器的发展主流 [2]。

　　微机械电容式加速度计的主要不足是受寄生电容影响大[3]。目前,有两类能抑制杂散电容的电容测量电路最为常用:一类是直流充放电测量电路;另一类是交流法电容测量电路。直流充放电电容测量电路典型分辨力是0. 3 fF。

　　其优点是抗杂散电容、电路简单、成本低。其缺点主要是采用直流放大有漂移以及CMOS开关的电荷注入效应影响了充放电C2V电路的性能,使得电 路的抗杂散性能下降[4];交流法电容测量电路是公认较好的一种。因为它克服了直流充放电型所固有的缺点,可抑制杂散电容,低漂移、实现高信噪比[3]。 本文所设计的电路采用上述2种电路的结合,是基于电容充放电的积分电路来实现C/V的转换。使用方波作为载波信号,克服了使用正弦信号发生器受温度影响的 缺点,经试验验证:可检测到10^-16F的差分电容。

　　1　基本结构和检测原理

　　其测量原理是利用典型的微分电路,利用流过电容的电流与电容两端电压之间的微分关系来组成微分电路,通过图1分析如下: 

　　即输出电压与输入电压的微分、电容值和电压值成正比[5]。

　　本设计的微小电容检测电路如图1所示,将R1串接Cx1,将Cf并接Rf,增加了高通滤波特性,可以抑制原始电路的高频噪声。通过调整Cf和 Rf的值,使输出波形类似于电容器充放电时的波形,其充放电周期τ与输入方波信号的周期的关系为τ≈T/2,这样的波形便于后续处理。

　　2　测量电路设计

　　电容式加速度计微小差动电容检测电路如图2所示。

　　方波信号通过加速度计,检测差分电容的变化。电容不同,通过微分电路后的峰峰值不同,其中的一路输出信号通过运算放大器后再反相,即U1经反相 器后为-U1,再通过加法电路实现电容的差分检测。用全波整流电路把经放大后的交流电压U3变成单向脉动电压U4,再通过滤波电路滤除脉动电压中的交流成 分,保留直流成分,可得与差分电容成线性的直流电压输出。全波整流电路如图3。

　　图中,U3是由-U1和U2经加法器后放大得到的, Ui是输出的方波信号,幅值为(-U,+U), Uo在二极管单向导通的作用下加到后面三极管栅极上的电压为(-U,0.7),当电压-U作用在三极管的栅极上时,该三极管处于截止状态,相当于断路;当 0. 7V的电压作用在三极管的栅极上时,该三极管处于导通状态,相当于短路,取R3=R4,则：