电容式传感器是将被测的非电量变化转换为电容量变化的一类传感器,它广泛应用在压力、湿度、温度和加速度等测量中。随着微电子机械系统(MEMS)设计与加工技术的不断进步,已研制出包括电容式压力传感器、湿度传感器、加速度计、化学和生物传感器等产品。在国内,尚无成熟的电容式传感器接口集成电路投入市场。对于MEMS电容式传感器,采用传统的分立元件搭制接口电路将无法满足精度要求,因此设计匹配的接口集成电路是十分必要的。本文分析了国外电容式传感器处理电路的典型形式,比较了各种电容测量电路的特点,针对本实验窒以前的流水芯片的缺点,改进了基于Schmitt触发器的电容式传感器检测电路,选择了基于开关电容电路的电容--电压转化电路作为本实验室的气压和湿度传感器检测的接口集成电路形式。 本文分析了实验室2004年开发的湿度传感器接口电路,对芯片进行了功能测试,归纳其性能不理想的表现、提取电路的参数、分模块再仿真,找出了不理想的原因。在此基础上,设计了共源共栅恒流源,改进了Schmitt触发器参数,使得高低阈值电平更加符合设计值并降低其对电路精度的影响,以使整体性能达到最优,仿真的电容分辨率达10Hz/fF。针对前述电路受寄生电容的影响使得其精度较低的特性,提出了具有低寄生干扰、高灵敏度的基于开关电容的电容式传感器检测电路,并针对其设计了运算放大器,从精度和速度方面考虑了开关和实际运放的影响,在设计的两相不交叠时钟的作用下,输出电压与检测的电容成线性关系,取决于后续测试电路或测量仪器的分辨率,分辨率可达100mV/pF。 本文采用TannerTM L-edit软件完成了版图设计。在设计中,充分考虑到与MEMS电容传感器工艺兼容,选择采用CMOS工艺线,以便实现传感器和处理电路的芯片集成。对电路的关键器件的版图设计进行阐述。充分考虑了布局布线对模拟电路的影响,完成了DRC文件、版图参数提取文件、LVS文件等必要的版图设计的辅助文档,对版图提取了寄生参数,验证了版图与原理图的一致性,通过后仿真验证了版图设计后的电路满足设计要求。 电路的制备采用1μm N阱双层金属单层多晶工艺,在中国电子科技集团第五十八所流片成功。给出了工艺参数和各主要模块的测试条件和测试结果。结果表明基于Schmitt振荡器的电容检测电路的核心器件恒流源、Schmitt触发器和D触发器等核心器件性能符合设计指标,整体能正常工作,其输出频率与测量的电容成反比,给出了在不同参数条件下的电容--频率曲线,分辨率达到10Hz/fF。对于基于开关电容的电容式传感器检测电路,运算放大器的设计满足开关电容电路应用的要求,整体电路可以测试剑输出电压随敏感电容的变化,可检测的最小电容变化为1pF。 本文最后总结了整个课题的主要工作,同时提出了工作中的一些问题和进一步改进的办法。