专利名称：一种电容式mems传感器的检测电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测电路，尤其是一种电容式MEMS传感器的检测电路，属于电容式MEMS传感器检测的技术领域。
背景技术：
电容式MEMS传感器广泛运用于工业、民用、航空航天、国防等领域。由于电容式MEMS传感器尺寸的缘故,这类传感器的输出信号极为微弱，典型的电容式MEMS传感器输出信号为fF量级，如此小的待测量决定了微弱电容检测电路的重要性，其性能对于MEMS系统性能具有重要作用。 为提高MEMS传感器输出线性度、抑制共模噪声，电容式MEMS传感器中的敏感电容大多采用差分电容的形式。现有的微小差分电容检测方法主要有C一V转换和直流充放电法。其中，C-V转换法原理应用相同电荷在不同大小电容两端引起电势差与电容大小成反t匕，通过比较基准电压与输出电压，由参考电容大小计算待测电容大小，此方法的缺点在于电荷传递过程中难以保证电荷等量传递，抗干扰能力差。直流充放电法，即用恒流源同时对待测电容和参考电容充放电，当电容两端电压达到施密特触发器翻转电压时，电路翻转，电路输出两路频率与电容大小相关的信号。虽然输出信号是抗干扰很强的频率信息，但与频率直接相关的电容充放电过程对电压很敏感，且充放电的转换过程由晶体管控制，状态切换瞬间会存在电荷注入和电荷馈通效应，严重影响检测精度。另外，房建成、宋星、盛蔚等人的《一种微小差分电容的检测电路》(专利号为ZL200810112292. 2)提出一种将待测电容与固定电感构成选频网络并与锁相环跟踪电路组成谐振单元检测电容的方法，其选频网络的组成过于理想化，没有考虑实际情况中电子元件损耗、能量不断减弱的特点，在一定程度上制约这种测试方法的精度；采用开环系统，对外界干扰敏感，不利于稳定信号输出。上述方法均不适合高精度MEMS电容检测领域，为满足高精度检测的需要，需设计一种测量精度高、抗干扰能力强、克服能量损耗、结构简单利于单片集成的MEMS电容检测方法。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种电容式MEMS传感器的检测电路，其结构紧凑，测量精度高，抗干扰能力强，克服能量损耗，便于单片集成，稳定可靠。按照本发明提供的技术方案，所述电容式MEMS传感器的检测电路，包括用于与第一待测电容、第二待测电容相连后形成的谐振单元，所述谐振单元通过频率检测单元与差频电路相连，频率检测单元的输出端分别与第一待测电容的第一可动极板、第二待测电容的第二可动极板相连；第一待测电容、第二待测电容对应连接形成与谐振单元，谐振单元内能产生谐振频率，并能对谐振衰减的能量补偿；频率检测单元根据谐振单元输出的谐振频率驱动差频电路输出对应的频率信号。
所述谐振单元包括选频网络及有源电路；所述第一待测电容、第二待测电容的两端均并联有选频电感，以形成选频网络；所述有源电路包括第一 PMOS管及第二 PMOS管，所述第一 PMOS管的漏极端与第二 PMOS管的栅极端及第一待测电容的第一端相连，第一待测电容的第二端与第一 NMOS管的漏极端相连，第一 NMOS管的栅极端与第二 NMOS管的漏极端相连；第二 NMOS管的栅极端与第一 NMOS管的漏极端相连，第二 NMOS管的漏极端还与第二待测电容的第二端相连，第二待测电容的第一端与第二 PMOS管的漏极端相连，第二 PMOS管的栅极端与第一 PMOS管的漏极端相连，第一 PMOS管及第二 PMOS管的源极端均与电源VCC相连；第一 NMOS管的源极端及第二 NMOS管的源极端与电流镜相连；第一 NMOS管的漏极端与第二 NMOS管的栅极端及第一电容的第二端相连后形成第一谐振单元输出端，第二NMOS管的漏极端与第一 NMOS管的栅极端及第二电容的第二端相连后形成第二谐振单元输出端。所述电流镜包括第三NMOS管及第四NMOS管，所述第三NMOS管及第四NMOS管的源极端均接地；第四NMOS管的栅极端与第三NMOS管的栅极端及第三NMOS管的漏极端相连；第四NMOS管的漏极端通过窄带电感与第一 NMOS管的源极端及第二 NMOS管的源极端相连；第四NMOS管的源极端与第四NMOS管的漏极端间通过源端电容相连；第三NMOS管的漏 极端与偏置电流Ibias相连。所述频率检测单元包括第一高通滤波器、第二高通滤波器、第一施密特触发器及第二施密特触发器，谐振单元的输出端分别与第一高通滤波器及第二高通滤波器相连，第一高通滤波器的输出端与第一施密特触发器的输入端相连，第一施密特触发器的输出端与第一可动极板相连，并与差频电路相连；第二高通滤波器的输出端与第二施密特触发器的输入端相连，第二施密特触发器的输出端与第二可动极板相连，并与差频电路相连。所述差频电路包括D触发器。所述差频电路采用D触发器，第一施密特触发器的输出端与D触发器的D端相连，第二施密特触发器的输出端与D触发器的CP端相连。所述第一高通滤波器及第二高通滤波器均包括滤波电容及滤波电阻。本发明的优点采用有源电路补偿储能器件能量损耗，采用静电反馈机制构成闭环系统稳定输出频率，抗干扰能力增强，结构简单易于单片集成，结构紧凑，测量精度高，抗干扰能力强，克服能量损耗，便于单片集成，稳定可靠。


图I为本发明的结构框图。图2为本发明谐振单元的电路原理图。图3为本发明高通滤波器的电路原理图。图4为本发明施密特触发器正弦信号触发的示意图。图5为本发明采用D触发器实现差频电路的示意图。附图标记说明1_有源电路、2-第一高通滤波器、3-第一施密特触发器、4-第二高通滤波器、5-第二施密特触发器及6-D触发器。
具体实施例方式下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图I所示本发明的检测电路包括用于与第一待测电容Cl、第二待测电容C2相连后形成的谐振单元，所述谐振单元通过频率检测单元与差频电路相连，频率检测单元的输出端分别与第一待测电容Cl的第一可动极板Ml、第二待测电容C2的第二可动极板M2相连；第一待测电容Cl、第二待测电容C2对应连接形成与谐振单元，谐振单元内能产生谐振频率，并能对谐振衰减的能量补偿；频率检测单元根据谐振单元输出的谐振频率驱动差频电路输出对应的频率信号，所述差频电路输出的频率信号与第一待测电容Cl及第二待测电容C2相对应，通过对所述输出的频率信号进行计算后能够得到与第一待测电容Cl、第二待测电容C2对应的差分电容。本发明实施例只能够，第一待测电容Cl、第二待测电容C2即为电容式MEMS传感器，第一待测电容Cl具有第一可动极板Ml，第二待测电容C2具有第二可动极板M2。如图2所示所述谐振单元包括选频网络及有源电路I ;所述第一待测电容Cl、第二待测电容C2的两端均并联有选频电感L0，以形成选频网络；所述有源电路I包括第
一 PMOS管PMOSl及第二 PMOS管PM0S2，所述第一 PMOS管PMOSl的漏极端与第二 PMOS管PM0S2的栅极端及第一待测电容Cl的第一端相连,第一待测电容Cl的第二端与第一 NMOS管NMOSl的漏极端相连，第一 NMOS管NMOSl的栅极端与第二 NMOS管NM0S2的漏极端相连；第二 NMOS管NM0S2的栅极端与第一 NMOS管NMOSl的漏极端相连，第二 NMOS管NM0S2的漏极端还与第二待测电容C2的第二端相连，第二待测电容C2的第一端与第二 PMOS管PM0S2的漏极端相连，第二 PMOS管PM0S2的栅极端与第一 PMOS管PMOSl的漏极端相连，第一 PMOS管PMOSl及第二 PMOS管PM0S2的源极端均与电源VCC相连；第一 NMOS管NMOSl的源极端及第二 NMOS管NM0S2的源极端与电流镜相连；第一 NMOS管NMOSl的漏极端与第二 NMOS管NM0S2的栅极端及第一电容Cl的第二端相连后形成第一谐振单元输出端Al，第二 NMOS管NM0S2的漏极端与第一 NMOS管NMOSl的栅极端及第二电容C2的第二端相连后形成第二谐振单元输出端A2。所述电流镜包括第三NMOS管NM0S3及第四NMOS管NM0S4，所述第三NMOS管NM0S3及第四NMOS管NM0S4的源极端均接地；第四NMOS管NM0S4的栅极端与第三NMOS管NM0S3的栅极端及第三NMOS管NM0S3的漏极端相连；第四NMOS管(NM0S4)的漏极端通过窄带电感Ltail与第一 NMOS管NMOS I的源极端及第二 NMOS管NM0S2的源极端相连；第四NMOS管NM0S4的源极端与第四NMOS管NM0S4的漏极端间通过源端电容Ctail相连；第三NMOS管NM0S3的漏极端与偏置电流Ibias相连。所述频率检测单元包括第一高通滤波器2、第二高通滤波器4、第一施密特触发器3及第二施密特触发器5，谐振单元的输出端分别与第一高通滤波器2及第二高通滤波器4相连，第一高通滤波器2的输出端与第一施密特触发器3的输入端相连,第一施密特触发器3的输出端与第一可动极板Ml相连，并与差频电路相连；第二高通滤波器4的输出端与第二施密特触发器5的输入端相连，第二施密特触发器5的输出端与第二可动极板M2相连，并与差频电路相连。本发明中第一谐振单元输出端Al与第一高通滤波器2的输入端相连，第二谐振单元输出端A2与第二高通滤波器4的输入端相连。如图3所示本发明实施例中，所述第一高通滤波器2及第二高通滤波器4均包括滤波电容Ch及滤波电阻Rh。滤波电容Ch的一端与有源电路I相连，另一端通过滤波电阻Rh接地。滤波电容Ch与滤波电阻Rh相连的一端与施密特触发器相连。
本发明实施例中，差频电路采用D触发器6，第一施密特触发器3的输出端与D触发器6的D端相连，第二施密特触发器5的输出端与D触发器6的CP端相连。本发明的工作原理是基于交叉耦合LC振荡电路得到的。第一待测电容C I与第二待测电容C2作为待测差分电容，第一待测电容Cl、第二待测电容C2与选频电感LO并联形成选频网络，由于在振荡过程中选频网络中电容电感元件的非理想因素存在，震荡会发生衰减，为使振荡持续进行 该选频网络接入有源电路1，该有源电路I对衰减能量进行补偿，有源电路选用互补型CMOS结构，整个谐振单元形成一互补型CMOS交叉耦合振荡器结构，如图2所示。 由谐振理论知，谐振频率是/0。根据谐振理论，第一谐振单元输出端Al
输出信号频率为第二谐振单元输出端A2输出信号频率为，
将第一谐振单元输出端Al、第二谐振单元输出端Α2分别与第一高通滤波器2的输入端BI、第二高通滤波器4的输入端Β2连接，如图3所示，高通滤波器采用简单的一阶无源RC高通滤波器，滤波器用于对高频振荡信号进行滤波滤除低频噪声，从第一高通滤波器2的输出端W1、第二高通滤波器4的输出端W2输出纯净的高频信号，将高频信号与第一施密特触发器3的输入端Dl、第二施密特触发器5的输入端D2相连接，如图4所示，当电压高于施密特触发器高阈值电平Vh时，触发器发生翻转变为低电平Vlow，当电压低于施密特触发器低阈值电平Vl，触发器发生翻转变为高电平Vhigh，第一施密特触发器3的输出端输出与输入信号频率Π相当的脉冲信号Vwl，第二施密特触发器5的输出端输出与输入信号f2相当的脉冲信号Vw2。其中谐振单元是本发明检测电路最重要组成部分，其具体电路实现方式如图2所示。电感值相等的选频电感LO与第一待测电容Cl、第二待测电容C2组成选频网络，接入由第一 PMOS 管 PMOSl、第二 PMOS 管 PM0S2、第一 NMOS 管 NMOSl、第二 NMOS 管 NM0S2 组成的有源电路1，该有源电路I对储能元件所损耗的能量进行补偿，有源电路I的偏置电路由第三NMOS管NM0S3，第四NMOS管NM0S4组成的电流镜构成，本结构在偏置电路中串接窄带电感Ltail与源端电容Ctail,窄带电感Ltail与源端电容Ctail形成一窄带电路,并令其共振在振荡波形二倍频的频率上，用于抑制偏置电路会产生的低频噪声和振荡波形二倍频噪声，整个谐振单元的拓扑结构是一互补型交叉耦合LC振荡电路。从施密特触发器输出端引出两条支路，一条作为静电反馈支路将脉冲信号Vcl、Vc2反馈回差分电容第一可动极板M1，第二可动极板M2，从而形成一闭环系统，进一步稳定输出频率，增强抗干扰能力；另一条支路与上升沿使能D触发器6的输入端El和使能端E2连接，即第一施密特触发器3的输出端与D触发器6的D端相连，第二施密特触发器5的输出端与D触发器6的CP端相连；D触发器6实现频率H、f2的输入脉冲信号的差值，具体实现过程如图5所示，在上升沿触发点如果输入端电压为高电平则输出端Q输出高电平，如输入端电压为低电平输出端输出低电平，输出端信号频率为使能端端新频率与输入端频率之差。本发明实施例中电感单位nH，电容为pF量级，输出信号频率MHz量级的高频信号，从电路上电到输出稳定正弦信号速度很快。第一待测电容Cl、第二待测电容C2作为信号敏感源电容可变，但其变化速率远小于谐振单元进入稳态的速度，因此分析过渡过程时可将第一待测电容Cl、第二待测C2视为固定电容。将谐振单元的输出信号引入高通滤波器消除低频噪声，得到频率分别为fl、f2的高频信号；将滤波后的信号输入到施密特触发器，如图3所示，当电压高于施密特触发器高阈值电平Vh时，触发器发生翻转变为低电平Vlow，当电压低于施密特触发器低阈值电平Vl时，触发器发生翻转变为高电平Vhigh，触发器输出与输入信号频率相当的脉冲信号。将从第一施密特触发器3、第二施密特触发器5输出的频率分别为H、f2的脉冲信号分为两路，一路接到第一待测电容Cl的第一可动极板Ml、第二待测电容C2的第二可动极板M2形成静电反馈支路，即形成一闭环系统，进一步稳定输出频率，增强抗干扰能力，达到稳定信号频率的目的；另一路接入D触发器6的输入端D与使能端CP，D触发器6用于实现fl、f2的差值，其输出频率为
/ = /1-/2 =I....................................................................................I........................................................................................(I)式中，fl为第一待测电容Cl与选频电感LO形成选频网络，并经有源电路I进行补偿及频率检测单元滤波检测后输出信号频率，f2为第二待测电容C2与选频电感LO形成选频网络，并经有源电路I补偿及频率检测单元滤波检测后输出信号频率，LO为选频电路的电感，一般地，有Cl=CO+AC，C2=C0_ Λ C，CO为平衡电容，AC为待测差分电容。化简式(I)
得
2C； -(AC)2由于差分电容AC远小于CO，将公式(2)按泰勒展开忽略高阶小项得
^ AC⑴t = ^/==由公式(3)知，差频电路输出信号的频率正比于待测差分电容的大小，可由差频电路输出频率信号计算差分电容大小。本发明中未作详细描述的内容属于信号检测和MEMS领域专业技术人员共知的现有技术；此处不再详述。本发明采用有源电路I补偿储能器件能量损耗，采用静电反馈机制构成闭环系统稳定输出频率，抗干扰能力增强，结构简单易于单片集成，结构紧凑，测量精度高，抗干扰能力强，克服能量损耗，便于单片集成，稳定可靠。
权利要求
1.一种电容式MEMS传感器的检测电路，其特征是包括用于与第一待测电容(Cl)、第二待测电容(C2)相连后形成的谐振单元，所述谐振单元通过频率检测单元与差频电路相连，频率检测单元的输出端分别与第一待测电容(Cl)的第一可动极板(Ml)、第二待测电容(C2)的第二可动极板(M2)相连；第一待测电容(Cl)、第二待测电容(C2)对应连接形成与谐振单元，谐振单元内能产生谐振频率，并能对谐振衰减的能量补偿；频率检测单元根据谐振单元输出的谐振频率驱动差频电路输出对应的频率信号。
2.根据权利要求I所述的电容式MEMS传感器的检测电路，其特征是所述谐振单元包括选频网络及有源电路(I);所述第一待测电容(Cl)、第二待测电容(C2)的两端均并联有选频电感(L0)，以形成选频网络；所述有源电路(I)包括第一 PMOS管(PMOSl)及第二 PMOS管(PM0S2)，所述第一 PMOS管(PMOSl)的漏极端与第二 PMOS管(PM0S2)的栅极端及第一待测电容(Cl)的第一端相连,第一待测电容(Cl)的第二端与第一 NMOS管(NMOSl)的漏极端相连，第一 NMOS管(NMOSl)的栅极端与第二 NMOS管(NM0S2)的漏极端相连；第二 NMOS管(NM0S2)的栅极端与第一 NMOS管(NMOSl)的漏极端相连，第二 NMOS管(NM0S2)的漏极端还与第二待测电容(C2)的第二端相连，第二待测电容(C2)的第一端与第二 PMOS管(PM0S2)的漏极端相连，第二 PMOS管(PM0S2)的栅极端与第一 PMOS管(PM0S1)的漏极端相连，第一PMOS管(PMOSl)及第二 PMOS管(PM0S2)的源极端均与电源VCC相连；第一 NMOS管(NMOSl)的源极端及第二 NMOS管(NM0S2)的源极端与电流镜相连；第一 NMOS管(NMOSl)的漏极端与第二 NMOS管(NM0S2)的栅极端及第一电容(Cl)的第二端相连后形成第一谐振单元输出端(Al)，第二 NMOS管(NM0S2)的漏极端与第一 NMOS管(NM0S1)的栅极端及第二电容(C2)的第二端相连后形成第二谐振单元输出端(A2)。
3.根据权利要求2所述的电容式MEMS传感器的检测电路，其特征是所述电流镜包括第三NMOS管(NM0S3)及第四NMOS管(NM0S4)，所述第三NMOS管(NM0S3)及第四NMOS管(NM0S4)的源极端均接地；第四NMOS管(NM0S4)的栅极端与第三NMOS管(NM0S3)的栅极端及第三NMOS管(NM0S3)的漏极端相连；第四NMOS管(NM0S4)的漏极端通过窄带电感(Ltail)与第一 NMOS管(NMOSl)的源极端及第二 NMOS管(NM0S2)的源极端相连；第四NMOS管(NM0S4)的源极端与第四NMOS管(NM0S4)的漏极端间通过源端电容(Ctail)相连；第三NMOS管(NM0S3)的漏极端与偏置电流Ibias相连。
4.根据权利要求I所述的电容式MEMS传感器的检测电路，其特征是所述频率检测单元包括第一高通滤波器(2)、第二高通滤波器(4)、第一施密特触发器(3)及第二施密特触发器(5)，谐振单元的输出端分别与第一高通滤波器(2)及第二高通滤波器(4)相连，第一高通滤波器(2)的输出端与第一施密特触发器(3)的输入端相连，第一施密特触发器(3)的输出端与第一可动极板(Ml)相连，并与差频电路相连；第二高通滤波器(4)的输出端与第二施密特触发器(5)的输入端相连，第二施密特触发器(5)的输出端与第二可动极板(M2)相连，并与差频电路相连。
5.根据权利要求I所述的电容式MEMS传感器的检测电路，其特征是所述差频电路包括D触发器(6)。
6.根据权利要求4所述的电容式MEMS传感器的检测电路，其特征是所述差频电路采用D触发器(6)，第一施密特触发器(3)的输出端与D触发器(6)的D端相连，第二施密特触发器(5)的输出端与D触发器(6)的CP端相连。
7.根据权利要求4所述的电容式MEMS传感器的检测电路，其特征是所述第一高通滤波器(2 )及第二高通滤波器(4 )均包括滤波电容(Ch )及滤波电阻(Rh )。
全文摘要
本发明涉及一种电容式MEMS传感器的检测电路，其包括用于与第一待测电容、第二待测电容相连后形成的谐振单元，所述谐振单元通过频率检测单元与差频电路相连，频率检测单元的输出端分别与第一待测电容的第一可动极板、第二待测电容的第二可动极板相连；第一待测电容、第二待测电容对应连接形成与谐振单元，谐振单元内能产生谐振频率，并能对谐振衰减的能量补偿；频率检测单元根据谐振单元输出的谐振频率驱动差频电路输出对应的频率信号。本发明采用有源电路补偿储能器件能量损耗，采用静电反馈机制构成闭环系统稳定输出频率，抗干扰能力增强，结构简单易于单片集成，结构紧凑，测量精度高，抗干扰能力强，克服能量损耗，便于单片集成，稳定可靠。
文档编号G01R27/26GK102854399SQ20121032995
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者孟如男, 王玮冰 申请人:江苏物联网研究发展中心