本文介紹的單片集成電容式壓力傳感器，傳感器電容結(jié)構(gòu)由多晶硅／柵氧／n阱硅構(gòu)成，并通過體硅腐蝕和陽極鍵合等后處理工藝完成了電容結(jié)構(gòu)的釋放和腔的真空密封。接口電路基于電容一頻率轉(zhuǎn)化電路，該電路結(jié)構(gòu)簡單，并通過“差頻”，消除了溫漂和工藝波動的影響，具有較高的精度。
2 接口電路原理及特性
接口電路原理圖和流水芯片照片如圖1所示。該電路由兩部分組成：電容一頻率轉(zhuǎn)化電路和差頻電路。本電路采用張馳振蕩器來實現(xiàn)電容-頻率轉(zhuǎn)化。張馳振蕩器由電流源、CMOS傳輸門、施密特觸發(fā)器構(gòu)成。電路分為充電周期和放電周期。工作原理如下：假設(shè)最初Vout高電平，則開關(guān)S11閉合，S12斷開，電路進(jìn)入充電周期，電流源I對Cs進(jìn)行充電，當(dāng)Cs上的電壓Vcs充電至施密特觸發(fā)器高閾值電平VH時，施密特觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，Vout變?yōu)榈碗娖剑藭rS11斷開，S12閉合，電路進(jìn)入放電周期，電流源對Cs進(jìn)行放電，當(dāng)電容上電壓Vcs下降到施密特低閾值電平VL時，輸出再次翻轉(zhuǎn)，Vout變?yōu)楦唠娖剑娐酚诌M(jìn)入充電周期。如此循環(huán)，該部分電路輸出一列頻率與電容Cs相關(guān)的方波，實現(xiàn)了電容-頻率的轉(zhuǎn)化。為了實現(xiàn)差頻功能，引進(jìn)了參考電容Cr，并通過相同的G-f電路完成參考電容到參考頻率fs的轉(zhuǎn)化。D觸發(fā)器則用于實現(xiàn)信號頻率fs與參考頻率fr的差值，實現(xiàn)差頻電路功能。接口電路最后輸出頻率為
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式中：Cs為壓力傳感器敏感電容；Cr為參考電容；I為充放電電流；VH，VI分別為施密特觸發(fā)器的高、低閾值電平。
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使用Pspice對電路特性進(jìn)行模擬，圖2給出了接口電路的誤差特性曲線。從圖2中可以看出：參考頻率為100 kHz左右時，電路輸出相對誤差較小；參考頻率與傳感器頻率之差越小，電路的輸出精度越高。設(shè)計電路時，通過調(diào)整充放電電流I，使得參考頻率工作在100 kHz左右，同時通過合理設(shè)置參考電容Cr的大小，使得傳感器頻率和參考頻率差值盡可能小，以保證電路獲得較高精度。
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綜合考慮芯片面積、傳感器靈敏度和功耗因素，傳感器敏感電容設(shè)計為800 μm×800μm，初值電容為1104 pF，壓力測量范圍為80～110 kPa，在該量程內(nèi)，傳感器電容由1207.4 pF變化到1220.5 pF。參考電容設(shè)計為1222 pF，以保證參考頻率和傳感器頻率差值盡可能小。充放電電流設(shè)計值為400μA，使得參考頻率fs工作在100 kHz附近(見式(1))。為保證電路具有較高的噪聲容限，施密特觸發(fā)器的高低閾值電平設(shè)計為VH=3V，VL=1V，圖3仿真了量程范圍內(nèi)電容響應(yīng)曲線及接口電路輸出頻率。芯片在無錫58所1 μm工藝線流水，見圖1(b)。
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3 接口電路測試及分析
施密特觸發(fā)器和D觸發(fā)器是電容接口電路的核心模塊，對上述電路進(jìn)行功能測試的結(jié)果如下：
圖4(a)給出了施密特觸發(fā)器的傳輸特性，由圖4得到施密特觸發(fā)器低閾值電平VL=1.1 V、高閾值電平VH=3.05 V，與設(shè)計值基本符合。
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圖4(b)給出了D觸發(fā)器的測試結(jié)果，在fd=100.1 kHz，fck=98.04 kHz條件下，輸出頻率fout=2.06 kHz，fout與(fd-fck)=2.062(kHz)的值近似。表1給出了對應(yīng)于幾組不同的fd和fck差頻電路的測試結(jié)果。結(jié)果表明，差頻電路在符合2／3fd
對電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，將傳感器電容轉(zhuǎn)化后的頻率與參考電容轉(zhuǎn)化后的頻率值滿足以上條件，可以獲得較高的精度。
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4 結(jié) 論
本文介紹了一種基于電容一頻率轉(zhuǎn)化原理的電容接口電路，仿真和測試結(jié)果均表明，通過差頻，電路可以獲得較高的精度。同時較大的傳感器初值電容(1104 pF)有利于抑制寄生電容的影響，為接口電路設(shè)計帶來了方便。在80～110 kPa壓力范圍內(nèi)，接口電路的分辨率約為3.77 Hz／hPa。