（微电子学与固体电子学专业论文）电容式传感器的cmos电路设计与实现.pdf

摘要 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、温度和加速度等测鼍中。随着微电子机械系统( m e m s ) 设计与加：f 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m e m s 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，冈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，比较了各种电容测鼙电路的特点，针对本实验室以前的流水芯片的缺点， 改进了基于s c h m i t t 触发器的电容式传感器检测电路，选择了基丁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2 0 0 4 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、分模块弭仿真，找出了不理想的原冈。在此基础上，设计了共源共 栅恒流源，改进了s c h m i t t 触发器参数，使得高低阂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1 0 h z f f 。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1 0 0 m v p f 。 本文采用n 盱刑l - e d i t 软件完成了版图设计。在设计中，充分考虑到与m e m s 电容传感器： 艺兼容，选择采用c m o s 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d r c 文件、版图参数提取文件、 l v s 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l l a nn 阱双层金属单层多晶1 二艺，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s c h m i t t 振荡器的电容检测电路 的核心器件恒流源、s c h m i t t 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一频率曲线，分辨率达到1 0 h z f f 。 对于基于开关电容的电容式传感器检测电路，运算放火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l p f 。 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 关键词： c m o sm e m s 、电容式传感器、张弛振荡器、开关电容、峰值检测 a b s t r a c t a c a p a c i t i v e 剐奠塔o ri n c l u d e sav a r i a b l ec a p a c i t o rn a n s d l l c e rw h i c h v a r i e si t sc a p a c i t a n c e 、衍t hc h a n g e s i na l le n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r i tc a nf i n d 、以d ea p p l i c a t i o n si np a r a m e t e rm e a s u r e m e n ts u c h 舔p r e s s u r e , h u m i d i t y , t e m p e r a t u r ea n da c c e l e r a t i o n ，e ta 1 w i t l lt h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ed e s i g na n df a b r i c a t i o nl e v e l o fm e m s ，s e v e r a ls o r t so fm e m sc a p a c i t i v e8 e t l l b ，s u c h 鹤p r e s s u r e 鹏o r h u m i d i t y8 a 1 8 0 r , a c c e l e r o m e t e ra n db i o c h e m i c a ls e n s o r sh a v eb e e np u ti n t ou s e b e c a u s eo ft h ev e r ys m a l lc a p a c i t a n c e ，a n i n t e r f a c ei ci sn e c e s s a r yf o rt h em e m sc a p a c i t i v es e n s o r a ni n t e r f a c ec i r c u i td e s i g n e db yo u rl a bi n2 0 0 4i st e s t e da g a i na n dt h ea n a l y s i si sg i v e n n en e w c a s c o d ec u r r e n ts o u r c ei sd e s i g n e d , a l s ot h ep a r a m e t e ro ft h es c h m i t tt r i g g e ri sd e s i g n e dt oi m p r o v et h e a c c u r a c yo fw h o l ec i r c u i t ，t h er e s o l u t i o no ft h ew h o l ec i r c u i ti slo h z f fb ys p i c es i m u l a t i o n t og e ta b e t t e ra c c u r a c y , an e wc a p a c i t yd e t e c tc i r c u i tb a s e do nt h es w i t c h e dc a p a c i t o ri sd e v e l o p e d ，a n da n o p e r a t i o n a la m p l i f i e rw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h es cc i r c u i ti sd e s i g n e d t h el - 龉p o l l s et i m ea n dt h es e n s i t i v i t y a r cc o n s i d e r e dw h i l et h es w i t c h e s 、n o n o v e r l a p p i n gc l o c kg e n e r a t i o nc i r c u i ta n do t h e rp a r t sa r cd e s i g n e d 1 1 h eo u t p u tv o l t a g ei sl i n e a rw i t l it h ec h a n g eo ft h ec a p a c i t o r 田1 er e s o l u t i o no ft h ec i r c u i ti sl o o m v p fb y t h es p i c es i m u l a t i o n ，1 1 i el a y o u to ft h ec i r c u i ti sd e v e l o p e db yt a n n e rt ml - e d i tl a y o u te d i ts o f t w a r e t or e a l i z et h e c o m p a t i b i l i t yo fm e m s 8 e 1 1 s o r sa n dt h ec i r c u i t ，ac m o sp r o c e s si sc h o s e n 1 1 1 el a y o u ti sd e s i g n e ds t r i c t l y f o l l o w i n gt h ed e s i g nr u l e s n el a y o u tp a r a m e t e r se x t r a c tf i l e sw h i c ha l ee s s e n t i a lt og e tt h ep o s ts i m u l a t i o n n e t l i s ta r ea l s og i v e no u t t h el v sc h e c ki sc o m p l e t e db yp o s ts i m u l a t i o n t h ei n t e r f a c ec i r c u i tw a sf a b r i c a t e di nlg mn - w e l ld o u b l em e t a ls t a n d a r dc m o sp r o c e s s a no v e r a l l t e s t i n go nt h ec i r c u i ti sc o m p l e t e d , a n dt h em e t h o d sa n dr e s u l t so ft e s t i n ga r ep r e s e n t e d 1 1 圮o u t p u t f i e q u e n c yo ft h ef i r s tc i r c u i tm a t c h e st h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n dt h ec i r c u i tc a nd i f f e r e n t i a t el p fc h a n g eo f t h es e l 塔o r 8e a s i l y t h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e rw o r k sw e l li nt h es cc i r c u i t , t h ec a p a c i t o rd e t e c tc i r c u i tb a s e d o nt h es cc i r c u i th a sal i n e a rv o l t a g eo u t p u t 诵t l lt h ec h a n g eo ft h ec a p a c i t o r , a n dt h ec i r c u i tc a n d i f f e r e n t i a t el p fc h a n g eo f t h es e n s o re a s i l yo nt h ei c bb o a r d t h ep a p e rg i v e sf i n a l l yt h es u m m a r ya n dd i s c u s s i o no ft h i st h e s i s k e y w o r d s ： c m o s ，m e m s ，c a p a c i t i v es e n s o r ，r e l a x a t i o no s c i l l a t o r ，s w i t c h e dc a p a c i t o r ，p e a kd e t e c t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 第一章绪论 1 1 背景与意义 第一章绪论 1 1 1 电容式传感器发展对检测电路的需求 传感器技术是现代科技的前沿技术，是制造业自动化和信息化的基础。传感器在工业、国防和 通信等各个领域发挥着巨大的作j ； 。自从上世纪6 0 年代m e m s 技术发展起来，m e m s 传感器的份额 不断提高。与传统的传感器相比，m e m s 传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、 适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点，可将传感器与处理电路利用c m o s e 艺集成在一 块i c 上，同时具有较机械式传感器更高的响应速度和更小的封装尺寸。同时，在微米量级的特征尺 寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。 电容式传感器是将被测的非电量的变化转换为电容量变化的一类传感器，它广泛应用在位移、 压力、湿度、化合物组成等的测量中。第一个硅电容式压力传感器f l t f o r dm o t o r 公司于1 9 7 9 年报道 1 l 】。 早期的电容传感器发展缓慢，随着电容式传感器测量原理和结构的深入研究及新材料、新。r 艺、新 电路的开发，其中一些缺点逐渐得到克服，应用越来越广泛，电容传感器的精度和稳定性也日益提 高。特别是随着m e m s 设计与加工技术的不断进步，已研制出包括微型压力传感器、湿度传感器、 加速度计、陀螺以及化学和生物传感器等产品。近几年来，随着消费电子市场的不断扩大j r j m e m s 传感器的制造成本不断下降，微电容传感器的应用领域也不断扩大。以加速度计为例，应用领域已 从传统的航空、航天技术，汽车电子和其他高新技术领域扩展剑移动电话、移动设备、h d d 希i 娱乐设 备上。据预测，在未来的几年内，m e m s 加速度传感器和压力传感器的市场规模将分别达剑l o 亿和 2 5 亿美元。国际上的一些半导体巨头纷纷将注意力投向了了这一巨大的市场。 电容式传感器比起其它的传感器有它的特点：功耗低，灵敏度更高，受温度的影响较小；缺点 是处理电路较复杂【l 。j 。m e m s 传感器体积小的特点决定了敏感电容的电容值不可能人，一般为p f 量级，而由这些物理量引起的微电容的变化更加微小，一般为腰甚至a f 量级。如此小的变化量对 检测电路的设计是一个挑战。传统的用分立元件搭制检测电路的方法将无法适应传感器电容不断减 小的趋势，采用专用的接口集成电路进行检测和处理将是微电容传感器的首选。 1 1 2 电容式微传感器检测技术现状 目前，在微电容传感器处理电路的研究方面，国内与国外有较大的差距。国外在研究领域以 美国密歇根大学集成传感器与集成电路中心为代表，他们所开发的单片集成微电容传感系统可以检 测温度、湿度、气压和加速度各项参数( 见图1 1 ) 其中各传感器都是采h j 敏感电容结构，其中温 度传感器的量程为2 0 1 0 0 ，灵敏度为1 5 ：气压传感器的量程为5 0 0 1 2 0 0 t o r r ，灵敏度为 1 5 f f t o r r ：湿度传感器的量程为2 0 9 5 r h ，灵敏度为3 9 f f r h 。这三个传感器电容通过一个 电容频率转换电路来测量，灵敏度在1 0 k h z 左右达到7 5 0 h 衫p f ”2 1 。另外，荷兰d e l f t 科技大学 的g e r a r dc m m e i j e r 领导的小组开发的气象智能测量系统可以把传感器与处理电路集成，其 通川传感接口可以测量0 - 2 p f ，0 - 1 2 p f 及0 3 0 0 p f 范围的敏感电容，并且可以测量热电阻和p t 电阻，该系统包含传感器模块、通j | j 传感接口和一个微控制器，其通川传感接口是一个基 于周期调制振荡的电容一周期转换器，输出与微控制器兼容的信号【l 4 1 。 题 t e l e m e t r yl i n k ( a )( b ) 囤1 1 密歇根大学开发的温度湿度气压单片集成检测傲系统a ) 系统原理围，( b ) 芯片照片 塑 ( 酣( b ) 圉1 _ 2d e l f t 大学的气象智能测量系统。( a ) 系统原理田：( b ) 主体电路的信号周期转换器 其他根多m e m s 实验生也逐渐尝试将处理电路剌电容式传感器集成【15 。”。在商业领域，美国 a n a l o gd e v i c e 公司十产的i m e m s 系，咖述皮计，采川先进的单片式集成方法，在同一芯片上同时 制作出朋进度敏感元什与相麻的信号调制电路i ( 幽l2 ) 。还有f r e e s c a i ：的m m a 6 2 系列加述 度计，仍由多芯”组州掏成，提供经过渊制的信号。 瘩荔 第镕论 ( a )( b ) 图i2 a d 公司a d x l 2 0 3 电客式加速度计版田( a ) 厦检测电路( b ) 运。目集成传感器中的处理电路代表了囡际上l u 徉检* 啦术的先进水平。近儿年，随着m e m s 馓 - h 存估感器j h 场的不断扩人， 些品牌的通用屯容检测芯 已在市场上u 现。 圈13 m s 3 1 l0 芯片照片 啊：1 0 s e n 辩 v 2 1 2 2 5 ：x a , j g c s l ， c i m g 矗l m ， “一一- - 篙鬻第h r “ ；s 2 m 。” v ，5 o t v 2 p ? n 州e 。 图1 _ 4m s 3 1 10 电容捡剥芯片原理囤“” | i3 、l4 所示为i r a n e m i c r o s e n s o b 公一d 的通川【u 容诖戢芯片m s 3 1 1 0 ，待测电，存范隔为 0 2 5 p f 1 0 口f 分辨率_ l r 选4 0 a f r t h z 输 uo o v 【u 压信号1 ”。“。 东南人学帧i 岸位论z c 1 口 c 口 c ? 几 田15 h t l3 3 电容检测芯片原理囤 o e 口 亡y o o j t 3 图15 所示为德国g e m a c 公一开发的h t l 3 3 待测l l 秤范用住0 - 3 0 p f ，分辨率l 选0 2 f f 输 出形式有模拟输出喊数字输出”“。其它还有一些产品也都丛剑丁相当的精度，可u 满足人多数传 感器的检测要求。 国内对r 微电，弃传感器的处理电路的研究相对较晚，口前已有一些集成的带处理电路的微电辑 传感器任实验宅研制成功，如，环振式传感 ：| 3 “”1 、硅微机械陀蝶”而本实验室的h 力传感器、 湿度传感器的处理l i 三路也已经有流片的经验【lm “1 。而在应川领域国内传感器厂家尚不且备将传 感器和处理电路芯片集成的能力而系统厂家通常采h 分立器扑搭制电辑d 4 姑电路，歧购耍删外越 川电容检测芯片读取电容信号。随着m e m s 加l 技术的发展器忭尺寸不断缩小，微电彝传感器的 址值目变化l 将更加微小。川传统的分立器什电路的检9 将越米越斟难。而随着微l u 存式加速度计 压力计等传感器在军事顿域上的人姑应川加快微t u 存传感器处理集成电路研究年开发，往【业自i 国防上且有重人的意义。 本实验空的电彝式传感器的研究已经积累了定的经骑在微i b 样接口- u 路的殴计上也开展了 许多i 怍”1 ，传堪器土婴集t l 丁电容式湿度传感器雨吨弈式压力传感器的研宄。对丁电彝式进 度传感器士要采川幽16 结拗，利川义指结构忭为电栉的rr 擞板中间滁敏感湿材料坷过感湿 材料的介电常数的变化米实现输n ：的电彝值的变化。待删的一批样品的电弈位约l o p e 变化范同在 8 d f 剑1 5 p f 。 圈。厨” ( a )( b ) 圉16 涅敏电容结构图( a ) 截面圉；( b ) 俯视图 l b 容式压力传搏器有数种币同的结构，其中一种典型结构如幽l7 所示。通过饭板的问距和面 积的变化导敛输f 【；l h 弃的蹙化。 * 精比 ”= 殛豁 1 圉1 _ 7 复告腹电容武压力侍感墨结构图( a ) 传感器结构立体圉，( b ) 传感器结构剖面圉 n 醴计传甚器坌i = i 杜j 的同时，实骑宅已有数种接口电路卡h 继提出包括基丁振荡器的电容频 率转化电路_ l 电容电爪转化电路( 如h1 8 和l9 ) 已有流片和测试的经验。但是这些电路还存在 一些问题，知测晕精度不够，恒流源不理想业i u 路的温度特性小佳并。但这些1 作所税累的理论研 究成聚和流片的测试什析为作者的电路改进设训打fr 基础积累了宝贵经验。 图18 一种电容式湿度传感器接口电路芯片照片 豢 东南 学顺i t 学位论i 圉19 一种电容式压力传感器接1 3 电路s e m 照片 1 2 电容式传感器测量原理及电路形式 如前所述，电存式传媾器芷利川电存值随环境参数变化而发乍改变的传感器。如何把也弈的变 化体现为电苗的改变，如电压、电流、频率或脉冲宽度* ，是微电栉传堪器接口c n 路驶讨的任务。 如刚1 1 0 所示。 囤l10 电容检剥示意田 常川的低值电存测挂电路都是把l 乜弈的变化转变为【u 爪或频率。目前人多数国外m e m s 传感器 厂家采川开大电释电路作为电辑信号的接口。运一电路特点在1 。精度尚( 前述产晶最高可选a f 埘 绒) 、可实现与传感器的高度集成。但电路结构丰 | 对复尔，对rl 艺精度要求较高。其次是粟h 振荡 注转化为频率或周删，咽山并种传培系统产鼎对1 感器信号读取时通常将电样式传搏器丰外部元件 纽茳振荡电路- u 路简单，易丁实现，输山频率信号几有准数字输u j 的特点，便1 ：删越。缺点是 精度较低，频率的稳定性以及温度漂移是主要问题。 开天电容机分器u 路世微小i h 容测帖 u 路的上噩肜式，通过时钟变化以及电荷秘累敛麻将微小 电存 转化为电j 、信号输山。种i 有低火橱低噪卢特件的开荚l u 存放人器称为c h o p p i n g ( 斩波技 术) 技术1 1 7290 1 1 ”“( 瑚1 i i 、l1 2 ) ，这种放凡器采川阔制技术将近似亢流的低颇传感器输：u 信 第一章绪论 号调制到高频，从而与放火器的火调和低频噪声在频带上错开，经过调制信号频段的选择放大，再 解调同基带而实现无干扰直流放大，斩波放大能克服由于热噪声的引起的噪声混迭，从而降低热噪 声水平，适合低噪卢处理。前述的a n a l o gd e v i c e 公司的i m e m s 系列加速度计即采用这种处理电路。 图i i ic h o p p i n g 技术的电路结构框图 k 瓯k k f憎f 蛆陵 (a)(b) 图i 1 2c h o p p i n g 技术放大器的原理分析 开关电容技术可以将其转换电荷的原理应用于积分电路，以来实现电容到t 的转换堋。如图 1 1 3 所示。 c a p 摹瞄蚋悖附 图i 1 3c - t 的电路原理图 在图1 1 3 中，c s 、c p l 、c 陀、g s 构成传感器电容的一个电学模型，c p l 、c p 2 为寄生电容；g s 为并联电导。c o f r 是电路本身存在的一系列加法和乘法上的错误，导致产生的漂移电容，其对电路工 作的动态范围有一定的影响。 电路同样有两个工作状态，电容的充电和放电状态。如图所示：1 1 4 ( a ) 图为电容c s 的充电状 态。 7 东南大学硕f ：学位论文 g r 掺 r 3 1 一上 l i i 一 釜 工一c 上 丁白t 上 o i k 0 0 。 i _- r 一一 t in t i l c 矗d 叠翻l 0 帆材 舢 图1 1 4 电路分时工作原理囹以及部分信号图 ( a ) 传感器电容充电过程( b ) 传感器电容放电过程( c ) 部分信号图 在c s 的充电过程中，开关s l 、s 4 闭合，比较器的输出对电容c o f r 充电，充电电流为l c h ，充电时 间为t l ( 式1 1 ) ： 正= vc 0 1 m p p - t _ p l - o f f ( 1 1 ) i c l 在c s 的放电过程中( 图1 1 4 ( b ) ) ，开关s 2 s 3 闭合，一方面电容c s 上的电荷转移到c 缸上，另 一方面电容c 讲上也会有电荷改变，总的电荷转换时间为i 2 ( 式1 2 ) ： 互= 产+ 旨 2 ， 电容一次充放电的总时间( 即电路的采样时间) 为t ( 式1 3 ) ： r ；2 辚+ 盟(13)i i k ii r 叫i i 由上式可以看出，c 呵的存在是转换时间中的i 卉l 有时间大大增大，减少了电路t 作的动态范围。可以 通过三信号自调制技术消除1 。4 1 刎。同时在该电路中使用了两端口测量技术减少了寄生电容对测量结 果的影响【l 4 】。文献指出其测量精度在2 p f 参考电容下可达到l o o a f 。 把电容的变化转化为输出频率的变化时，频率测量可以直接给出数字输出，而无需使用基于电 压的数模转换器( a d c ) 。可变频率信号具有人的动态范围，因为电压饱和或电压噪声不会对动态范 围进行限制，特别是在低电源电压系统时尤其如此。此外，在近距离遥测中，可变频率信号比电压 信号能承受更人的干扰。因此，将电容传感器构成振荡器，通过检测振荡频率的变化来考察传感器 的电容变化，是一个明智的选择方案【l 2 1 1 。 t o t h 等人和g o e s 等人提出将电容组成环形振荡器的方法来检测电容，电容的变化量由输出周期 的变化获得。这种方法的精度较高，对于2 p f 的参考电容，在3 0 0 c 7 0 0 c 温度范嗣内，能得到l o o a f 的精度1 1 。m b r a m a r i 等人提出了将敏感电容组成r c 同路形成共振，利川电容引起的输出频率信号 的相位的变化来得剑相应的电容值1 1 1 。 把电容的改变转化为输出频率的变化，通常采用构造可变振荡器来实现。形式可以采用谐波振 第一章绪论 荡器( 正弦波输出) ，也可以利用张弛振荡器( 方波输出) 。显然，正弦波的输出比起方波来，波形 更容易受到干扰和衰减，而且方波的频率也更容易用单片机来测量。其次，张弛振荡器比谐波振荡 器更容易实现。 图1 1 5 所示的电容频率转换的电路结构是密歇根大学所开发的温湿度和气压检测微系统芯片所 采用的一种电路结构【1 2 4 1 。 图i 1 5 电容频率转换的张弛振荡器n 2 1 电路由恒流源、张弛振荡器及一级触发器组成。张弛振荡器的的输出频率与c s e n s 成反比i 4 】。 通过输出频率变化来反映敏感电容值的变化，最终反映待测参数的变化。 图1 1 6 给出了一种另外一种结构的张弛振荡器的示意图【l 一6 1 。它基于s c h m i t t 触发器，通过输出 电压的高和低米打开和关断充电和放电的通路。它结构简沽，2 0 0 5 年设计的一种集成电容式湿度传 感器中就集成了基于此种结构的接口电路，并流片成功，但是测试发现存在以下问题：输出频率比设 计值小2 个数耸级且占空比偏离5 0 。 图1 1 6 基于s c h n m i t t 触发器的张弛振荡器 此电路设计的要点在于：如何提供高稳定性的充放电电流，即电流源和精确的电流镜像电路的 设计；满足要求的s c h m i t t 触发器的实现。在下一章里，将论述以这种结构为基础的电容式传感器测 量集成电路的设计思路和模拟结果，并针对该电路精度方面的缺点提出一种基于开关电容电路的微 电容检测电路。 9 东南人学硕l 二学位论文 1 3 论文的主要工作 在以上调研和对实验室研究成果分析和测试的基础上，作者主要完成了以下工作： 1 在张弛振荡器的设计上，重点参考本实验室2 0 0 4 年流片成功的湿度传感器的电容一频率 转化电路的形式，对流片结果进行了功能测试，归纳其性能不理想的表现，提取电路的参数，分模 块再仿真，模拟：i ：作电压，工艺波动，敏感电容参数波动等各种情况下电路的：作情况，找出不理 想的原因，重新设计各模块的结构和参数，优化各功能模块的特性，以使振荡器整体性能达到最优。 设计了精确的共源共栅电流源，在s c h m i t t 触发器的设计中，考虑整体电路的寄生特性，确定了合理 的高低阈值电平并精确设计触发器的宽长比。 2 根据待测传感器的性能参数、工艺条件、权衡电路的指标、确定电路的类型和实现形式。设 计了新的电容一电压转化电路，并针对该电路，提出了合理的指标要求，比较了各种运放电路， 合理设计了运放的差分输入级、放人级和缓冲级，设计出了满足要求的运放。考虑到精度问题采用 了下极板采样电容，对每个开关进行了仔细设计，考虑了其对输出电压的影响，最后为了检测输出 方波的幅值提出了一种合适的峰值检测电路。 3 在版图设计中，充分考虑到和m e m s 电容传感器实现工艺兼容，选择合适的丁艺线，以实 现传感器和处理电路的芯片集成。在运用l - e d i t 版图设计：r 具时，通过与代工厂合作，编写了适用 于l - e d i t 和该流水线的参数提取定义文件和截面提取工艺文件等接口文件，保证了版图设计的正确 性和完整性。 4 在流片完成后，对工艺参数和电路进行了测试，主要进行了陪管参数和方块电阻的测试，测 试了运放的基本参数，对基于s c h m i t t 触发器的电路整体的电容一频率转移特性曲线进行了测试。 并得到了一簇电容一频率的关系曲线。测试了基于开关电容电路电容式传感器检测电路，给出了 电路输出方波的幅值和输入电容差值的测试关系图。 5 在本文的最后，对课题j r 作进行总结，并提出课题进展过程中存在的一些问题，对朱来工作 进行了展望。 l o 第_ 二章电容式传感器的c m o s 电路设计与模拟 第二章电容式传感器的c m o s 电路设计与模拟 上一章的最后介绍了电容式传感器测量的一般方法和几种常见的电路形式。其中，基于s c h m i t t 触发器的张弛振荡器结构简单，输出方波利于检测，并且动态范围大，成为本实验室几种电容式传 感器接口电路的首选【z i - 3 2 1 。2 0 0 4 和2 0 0 6 年设计的集成电容式湿度传感器和微电容式压力传感器中就 集成了基于此种结构的接口电路。但是测试结果并不理想，表现为输出频率比设计值小2 个数量级且 占空比偏离5 0 ，给电容的精确检测和频率检测计数带来困难。在本章中，作者分析了该电路的内 在问题，在新的上艺条件下重新设计了该电路，并为芯片的封装设计了芯片管脚的布置。该部分的 重点在于恒流源的分析和重新设计以及s c h m i t t 触发器的重新设计 基于s c h m i t t 触发器的张弛振荡器结构简单，但是受寄生电容的影响使得其精度较低，为此本章 设计了基于开关电容( s c ) 同相放大器的电容检测电路，把敏感电容的变化转化为方波的幅值的变 化，然后设计峰值检测电路读出方波幅值。该部分的重点在于s c 电路中需要的运算放大器的设计和 s c 电路精度的考虑。 2 1 张弛振荡型电容测量电路 图2 1 是本电路的结构框图，这是一个差频结构的设计【2 2 1 。图中两个c - f ( 电容频率) 转 换模块由弛振荡器结构改进而成，其结构完全相同，而且使用统一的恒流源提供电流，冈此具有相 同的电容频率转化特性及电源特性和温度特性。其中一个c f 转换模块接电容式传感器，其输 出频率值随敏感电容的变化而变化，同时也会受电源波动的影响和温度波动的影响；另一转换模块 则接一个与传感器电容相匹配的矧定电容，产生一个参考频率，此频率对于电容传感器的输出不再 敏感，但仍受电源、工艺波动和温度漂移的影响。此时这些影响就作为电路的共模干扰，通过差频 模块滤除。由于c - f 转换模块的电源特性和温度特性与所接的电容值是相关的，因此连接不同电容 值的两个模块所受电源波动和温度的影响将不完全相同，但是仿真结果表明此结构可以滤去绝大部 分的影响，以至将电源波动和温度的影响完全抑制在精度的允许范嗣内】。 图2 1 徽电容测量电路结构 我们考虑振荡器电路输出频率受传感器电容、电源波动、工艺波动和温度的影响，则表达式可 写为： 厂= f 。啪r ， 而参考频率则对电容变化不敏感： 岛2 丘c i d d , y r m 喝) l l ( 2 1 ) ( 2 2 ) 东南火学硕l 学位论文 我们选择一个在传感器的输出范围之外，又接近此输出范围的c o 。在c 0 处把f 用泰勒 公式展开： 厂咏舰岫c 蚓+ 警。c 删( c c o ) + 艮刀( 2 3 ) r 为高阶余项。得到两个输出频率f 和k 的差值为： 厶= 一如= 警忙( c c o m 嘲 ( 2 - 4 ) 由式( 2 4 ) 可以看出，电源、阈值电压和温度对频率的影响中各自最主要的一项被消去， 大大降低了对电容一频率特性的影响。 2 1 1 张弛振荡器原理分析 张弛振荡器通过构造高低转换低闽值电平，来响应电容上电平的变化，交替输出高电平和低电 平，再控制电容的充放电状态。基于张弛振荡器原理的电容和电阻传感器已经有了较多的应用2 3 1 。 图2 2c f 模块以及差频检测模块示意图 该电路的原理如下：首先将传感器敏感电容转换成频率。c f 转化模块是由恒流源、施密特触 发器以及反相器组成的张弛振荡器。工作周期分为电容充电周期与放电周期。充电时，开关s l l ( $ 2 1 ) 闭合，s 1 2 ( 8 2 2 ) 打开，当电容上的电压充电至施密特触发器的高闽值电平( ) 时，施密特触发 器输出发生翻转，使得开关8 1 2 ( s 2 2 ) 闭合，s l l ( s 2 1 ) 打开，从而进入放电周期，当电容上电压 下降至施密特触发器的低闽值电平( 圪) 时，输出再次翻转，再次进入充电周期，如此循环，o 彳 模块输出频率随电容变化而变化的方波。 充电周期为： 1 2 第二章电容式传感器的c m o s 电路设计与模拟 t c h l t g 。 = 产 放电周期为： k 扩掣 ( 2 5 ) ( 2 6 ) i l 和1 2 分别为充电电流和放电电流，如果恒流源为理想电流源( 即其不受电源波动和温度的影 响) 且电路偏置得当，划i i = 1 2 _ i ，传感器电容与输出频率的关系式如下： ， 居= l 一 ( 2 7 ) 。 2 c s ( v x 一圪) 在将电容转换为频率之后，采用筹频电路，将较大的零压电容转换的信号滤除，在提高电路分 辨率的同时，减少了电路的噪声，同时减小了电源电压波动，温度变化对电路性能的影响。羞频检 测部分由d 触发器实现。除敏感电容外，设计一个同定参考电容，它与敏感电容具有完全相同的结 构组成，只是在电路加工后不进行后处理。将由同定电容和敏感电容转换的频率信号输入d 触发器， 对于符合一定条件的两个信号，电路输出为它们的差值。由敏感电容转换的方波信号( 频率为居) 输入到d 触发器的d 输入端；由参考电容转换的方波信号( 频率为伊) 输入到d 触发器的时钟端( c k ) ， d 触发器设计为下降沿触发。 当两个信号周期满足下式关系时，输出差频的误差较d d 2 4 1 。 2 3 f l f r f i 检测电路的总输出为： f o u t = 必一多2 云1 一万1 = 瓦而i 一面而i ( 2 8 ) ( 2 9 ) 本实验室曾针对压力和湿度的传感器采用了该振荡电路，但是最后的差频输出是固定的方波信 号，频率不随敏感电容而变化，说明差频电路没有起到作用。差频模块单独测试结果如图2 3 所示， 输入两列的不同频率的方波( 1 3 2 k h z 和1 3 0 k h z ) ，输出为2 2 k h z ，误差在允许范罔内。测试该电路 的一半，即基于s c h m i t t 振荡的电路，发现输出方波的频率在1 0 0 h z 以下，比设计的1 5 0 k h z 左右 低两个数量级，且随着电容值的变化其占空比严重偏离5 0 。 图2 3 差频模块测试波形 我们分析输出方波频率偏低和不对称的原因。比较式2 5 和式2 6 ，因为c s 和v h 、v l 的测试 结果良好，分析这两个周期偏差的主要原冈为i i 和1 2 偏离设计值和其大小不等，这由两个原因引起， 一是由于恒流源设计不合理导致的充放电电流过小及充放电电流的偏差，二是c 1 0 s 开关的控制信号 不精确导致的充放电电流不等。 1 3 东南大学硕i ：学位论文 作者在新的：l = 艺条件下重新设计了该电路。主要改进目标是：1 ) 改善恒流源电流输出，使其输 出设定的电流值并提高充放电电流的匹配性；2 ) 重新设计c m o s 开关的逻辑控制部分，使输出方波占 空比更理想。 2 1 2 自偏置恒流源分析与改进 前几次流片的恒流源电路如图2 4 r 线右边所示，测试发现外接电阻中的电流小于0 1i ia ，可认 为其工作在弧阈值区，而非期望的饱和区，恒流源没有正确启动。设计时是希望漏电在电阻上的电 压能够启动电路，但工作电流的大小表明这种启动是失败的。 该恒流源的输出电流满足： 1 2 r l = 鱼 1 1 - i , = i q + i ( 2 1 0 ) 式中的。和c 0 分别表示电子迁移率以及m o s 管的单位长度栅电容的值。 该电路存在两个稳定状态，一个在上式所确定的工作点q 处；另一个在原点，即电路中的电流 为0 。为了避免电路处于零电流状态，必须有一个启动电路。 在电阻的接地端加一电压，对流过电压源的总电流和恒流源支路电流的测试表明，在电路设计 时加启动电路对该电路有效1 2 j 。作者添加了如图2 4 虚线左边所示的启动电路，其原理如下：两个 p m o s 管p l 、p 2 和电容c 0 构成启动电路。上电瞬间，电容上没有电荷，p l 、p 2 都导通，1 1 2 的栅电位拉高， 从而使m 2 开启并产生电流，m 4 、m 1 也陆续产生了电流，让基准电流源脱离零稳态。在这个过程中，p 1 一直在向电容c o 充电，电容上的压降逐渐升高，直至晶体管p 2 关断。此时，启动电路对基准部分就 没有任何影响了。在稳定后，启动电路上没有功耗。图2 5 为s p i c e 模拟的启动管p 2 的电流变化，可 以看出刚上电时p 2 流过大电流使电路启动，然后很快截止，启动电路停止工作。 图2 4 自偏置恒流源及启动电路 1 4 第二章电容式传感器的c m o s 电路设计j 模拟 i s ( p 2 ) 枷n a 2 帅u a 。 _ _ j 一 - 。 ! ： i ： ： k 1 _ - o 三j ：l i ：、 。l 慕 一 “p h _i n g l ll 舳 -lj e n n - 图2 5 上电后p 2 管电流随时间变化关系 但是，模拟结果还发现此时电流源的两路电流分别为1 0 6 1 3 u a 和1 0 3 2 9 u a ，有较大偏差，这将 导致振荡输出的方波占空比出现偏差，影响电路性能。电流的偏差是由于m 4 、m 5 的栅漏电压不等导 致的沟道长度调制效应引起的。为改善其特性，电流镜采j h j 共源共栅结构，模拟结果显示其两路电 流的偏差明显减小到了可以忽略不计的程度( 都为1 0 3 2 u a ) 。另外考虑到标准c m o s 工艺实现m 0 s 的便 利，启动电路设计改为下图，启动瞬间的模拟结果如图2 7 ，刚上电时m 7 1 流过大电流以启动电路， 启动电路与工作电路连接点的电压随着启动电流对寄生电容充电而逐渐增加，然后启动管m 7 l 很快截 止，启动电路停止工作，此时可以看到恒流源部分已经启动成功，输出电流已增加剑设定的1 0l la 。 各个管子的宽长比如图2 8 所示，r o n 和r 1 分别为7 0 k q 和1 2 0 1 m 。 l 启动电路l 荚源共橱自偏置恒流源 i y s s 图2 6 精确的自偏置恒流源及启动电路 1 5 东南大学硕七学位论文 c t 7 l 摹t 4 h c t l v q t t ：w02 懈 十 ，i i 一；一 ；一； ! ： 2 ii d 呻7 1 、j； o u e ， ： ：z ：i ti r 啦；惩；糯l ： 一 ；i 、 j 7万ll ： l 乏 i ；! 吐 ；ii 错o 、i ： i n ，m 2 气 ；蠢 f 一、1 一一7 ，一 1 孵 - o “ t ，1 d 扛、 了1 1 0 、1i = ，= r - 一= o t o 5 v 。 参 ，i u 睇，c 习“是黼，i n t 职，t d t 撬0 啊l i o e t l #土o i j 图2 7 上电后m 7 1 管电流及各电压随时问变化关系 v d d 图2 81 0ua 电流源各管子参数 2 1 3