单片集成MEMS电容式压力传感器接口电路设计

1 引 言 　　单片集成是MEMS传感器发展的一个趋势，将传感器结构和接口电路集成在一块芯片上，使它具备标准IC工艺批量制造、适合大规模生产的优势，在降低了生产成本的同时还减少了互连线尺寸，抑制了寄生效应，提高了电路的性能。
　　本文介绍的单片集成电容式压力传感器，传感器电容结构由多晶硅／栅氧／n阱硅构成，并通过体硅腐蚀和阳极键合等后处理工艺完成了电容结构的释放和腔的真空密封。接口电路基于电容一频率转化电路，该电路结构简单，并通过“差频”，消除了温漂和工艺波动的影响，具有较高的精度。
　　2 接口电路原理及特性
　　接口电路原理图和流水芯片照片如图1所示。该电路由两部分组成：电容一频率转 单片集成MEMS电容式压力传感器接口电路设计是现代微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）技术领域中的一个重要研究方向。这种技术将传感器的结构与接口电路集成在同一块芯片上，实现了标准化的集成电路批量生产，适应大规模的制造需求。集成化设计不仅降低了生产成本，还减小了互连线尺寸，从而有效地抑制了寄生效应，提高了整个电路的性能。 电容式压力传感器通常由多层材料构成，例如本文中提到的多晶硅/栅氧/n阱硅结构。传感器的工作原理是利用压力变化导致电容值的变化。通过特定的后处理工艺，如体硅腐蚀和阳极键合，可以实现电容结构的释放和腔体的真空密封，确保传感器的稳定性和准确性。 接口电路是连接传感器与外部系统的桥梁，其主要任务是将传感器的电容变化转化为可被电子系统处理的信号，例如频率信号。本文介绍的接口电路基于电容-频率转化电路，该电路采用了张驰振荡器，由电流源、CMOS传输门和施密特触发器组成。工作过程中，电容的充放电周期会导致振荡器输出频率的变化，从而实现电容值到频率的转换。同时，通过差频技术，电路可以消除温度漂移和制造过程中的工艺波动，提高测量精度。 接口电路包括两部分：电容-频率转化电路和差频电路。电容-频率转化部分，张驰振荡器在充电和放电周期中，根据电容Cs的电压变化输出频率。参考电容Cr的引入和相应的G-f电路则用来转化参考电容到参考频率，两者之间的差频由D触发器计算，从而得到精确的频率输出。输出频率与电容的关系可以由公式表示，其中Cs为传感器敏感电容，Cr为参考电容，I为充放电电流，VH和VL分别为施密特触发器的高、低阈值电平。 在实际设计中，选择合适的参数至关重要。例如，参考频率设置在100 kHz左右，通过调整充放电电流和参考电容大小，保证输出精度。传感器电容大小直接影响灵敏度和功耗，而施密特触发器的阈值电平则决定了噪声容限。电路的测试结果显示，接口电路在不同频率差下具有较好的性能，误差小于3%，验证了设计的合理性。 单片集成的MEMS电容式压力传感器接口电路设计结合了先进的微加工技术和精密的电路设计，实现了高精度的压力测量，对于推动MEMS技术在工业、医疗、航空航天等领域的应用具有重要意义。这种设计方法为未来更高效、更精确的传感器接口电路提供了参考和借鉴。