專利名稱：一種mems器件微弱電容檢測(cè)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于.MEMS器件中的微弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域，它是MEMS器件的重要組成部分，對(duì)于提 高器件的性能具有至關(guān)重要的作用。
背景技術(shù)：
MEMS器件具有體積小、壽命長(zhǎng)、能耗低、易于集成以及成本低廉等特點(diǎn)，因而在工業(yè)、 信息、航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。
根據(jù)檢測(cè)方法的不同，MEMS器件可以分為壓阻式、壓電式、電容式、熱電偶式、光纖式、 電磁式等，其中，壓阻式、壓電式和電容式是目前的主流方向，而電容式MEMS器件因具有 測(cè)量范圍大、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好等突出優(yōu)點(diǎn)，得到了最為廣泛的應(yīng)用，成為 國(guó)內(nèi)外各大公司和科研機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)。
電容式MEMS器件體積小的特點(diǎn)決定了其敏感電容的電容值非常小， 一般為pF量級(jí)，而 由待測(cè)物理量引起的電容變化量則更加微小，一般為fF量級(jí)，甚至是aF量級(jí)。如此小的待 測(cè)量決定了微弱電容檢測(cè)電路的重要性，其性能對(duì)于電容式MEMS器件的性能具有決定性的 作用。
針對(duì)如此微小的電容變化量，為了提高檢測(cè)電路的精度和靈敏度，通常采用的是差分式 檢測(cè)的方法。但是，差分式檢測(cè)電路需要一對(duì)完全相同的差分檢測(cè)電容，而且要求兩個(gè)差分 檢測(cè)電容敏感待測(cè)物理量時(shí)的響應(yīng)為相反的，這意味著差分式檢測(cè)電路對(duì)于傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)提出了相應(yīng)的要求，因而其應(yīng)用領(lǐng)域受到一定限制。
目前，電容式MEMS器件使用較多的是直流充放電法和交流法。充放電法在施加方波激 勵(lì)時(shí)，交流放大輸出的是窄脈沖，信號(hào)占空比很低，所以信噪比也很低；其次，放大脈沖信 號(hào)需要較大的帶寬，高次諧波兩側(cè)的噪聲也將被相控整流器搬移到低頻段，因而加大了低頻 噪聲。交流法使用單一頻率的正弦信號(hào)作為激勵(lì)，信號(hào)平均值大，從而能夠得到較高的輸出 信噪比；同時(shí)，所處理的信號(hào)是單一頻率正弦信號(hào)，可以使用窄帶帶通放大器，減小放大器 引入的噪聲，進(jìn)一步提高輸出信號(hào)的信噪比。因而，交流法在實(shí)際的微弱電容檢測(cè)電路中得 到了更多的應(yīng)用。
利用交流法進(jìn)行微弱電容檢測(cè)時(shí)，通常是在輸入正弦激勵(lì)源的作用下，利用載波調(diào)制的 方法將待測(cè)微弱電容的變化調(diào)制為正弦信號(hào)的峰值變化，再將調(diào)制后的正弦信號(hào)解調(diào)為直流信號(hào)輸出。目前常甩的調(diào)淑方法主要有兩種(1)全波整流法。首先利用全波整流電路對(duì)正' 弦信號(hào)進(jìn)行全波整流，再將輸出信號(hào)通過(guò)低通濾波器得到直流信號(hào)；(2)相干檢測(cè)法。利用 移相電路對(duì)輸入正弦激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行移相處理，使其與調(diào)制后的正弦信號(hào)相位一致。將移相后 的輸入正弦激勵(lì)信號(hào)與調(diào)制后的正弦信號(hào)輸入至乘法器兩端，再通過(guò)低通濾波器得到直流信 號(hào)。采用這兩種方法時(shí)，微弱電容檢測(cè)電路的原理和結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，容易引入相應(yīng)的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題針對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足，提出了一種新型的MEMS器件微弱 電容檢測(cè)電路，以解決傳統(tǒng)的微弱電容檢測(cè)方法需要一對(duì)完全相同的待測(cè)電容以實(shí)現(xiàn)差分式 檢測(cè)，正弦信號(hào)解調(diào)部分的原理和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，減少了可能引入的誤差。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案 一種MEMS器件微弱電容檢測(cè)電路，包括兩組C/V轉(zhuǎn)換器、減 法器、積分器和峰值檢測(cè)器，兩組C/V轉(zhuǎn)換器分別將待測(cè)微弱電容和補(bǔ)償電容轉(zhuǎn)換為電壓量， 并輸出至減法器的兩輸入端；減法器計(jì)算得到兩組C/V轉(zhuǎn)換器輸出的電壓量之差，抵消待測(cè) 微弱電容的本體電容，并將與待測(cè)微弱電容的變化量成比例的正弦信號(hào)輸出至積分器的反相 輸入端；積分器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，將放大后的信號(hào)輸出至峰值檢測(cè)器的輸入端；峰值 檢測(cè)器檢測(cè)輸入正弦信號(hào)的峰值，該直流量即與待測(cè)微弱電容的變化量成比例。
本發(fā)明的原理 一種MEMS器件微弱電容檢測(cè)電路，是基于交流法設(shè)計(jì)得到的。兩組C/V 轉(zhuǎn)換器利用微分電路的原理，在同一高頻正弦激勵(lì)源的作用下，其輸出信號(hào)分別為峰值與待 測(cè)微弱電容和補(bǔ)償電容成比例的同頻、同相正弦信號(hào)。由于補(bǔ)償電容與待測(cè)微弱電容的本體 電容值相等，兩路同頻、同相的正弦信號(hào)輸入到減法器的兩輸入端，即可利用補(bǔ)償電容抵消 待測(cè)微弱電容的本體電容值，且減法器的輸出正弦信號(hào)峰值與待測(cè)微弱電容的變化量成比 例。積分器的截止頻率由積分電容器和反饋電阻器的乘積決定。低于積分器截止頻率的輸入， 積分器只對(duì)其進(jìn)行線性的反相放大；高于積分器截止頻率的輸入，積分器對(duì)其進(jìn)行積分。一 般的噪聲，對(duì)其積分即可將其消除。因此，只需要選擇合適的積分電容器和反饋電阻器，使 得積分器的截止頻率略高于輸入正弦信號(hào)的頻率，積分器即可濾除高于其截止頻率的噪聲， 并對(duì)輸入正弦信號(hào)進(jìn)行線性的反相放大，放大倍數(shù)由反饋電阻器和輸入電阻器的比值決定。 利用積分器，將輸入正弦信號(hào)的峰值放大至V級(jí)，輸出至峰值檢測(cè)器的輸入端。當(dāng)輸入正弦 信號(hào)大于零時(shí)，峰值檢測(cè)器的兩個(gè)單向電流開關(guān)二極管導(dǎo)通，信號(hào)通過(guò)輸入緩沖隔離放大器 迅速對(duì)峰值存儲(chǔ)電容器充電，直至其達(dá)到正弦信號(hào)的峰值。利用輸出緩沖隔離放大器，輸出 能夠保持檢測(cè)得到的峰值。當(dāng)信號(hào)小于零時(shí)，兩單向電流開關(guān)二極管關(guān)斷，輸出信號(hào)保持為 檢測(cè)得到的峰值。當(dāng)輸入正弦信號(hào)的峰值增大時(shí)，輸出信號(hào)相應(yīng)增大；當(dāng)峰值減小時(shí)，通過(guò) 放電電阻器，輸出信號(hào)栢應(yīng)減小。峰值檢測(cè)器檢測(cè)得到輸入正弦信號(hào)的峰值，即為與待測(cè)微弱電容變化量成比例的直流信號(hào)。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)
(1) 本發(fā)明利用待測(cè)微弱電容和補(bǔ)償電容構(gòu)成兩組相同的c/v轉(zhuǎn)換器，并將兩組c/v
轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)接至減法器的兩輸入端，從而抵消了待測(cè)微弱電容的本體電容，對(duì)單一待 領(lǐng)他容即可實(shí)現(xiàn)類差分式檢測(cè)，只需要檢測(cè)待測(cè)微弱電容的變化量，大大提高了檢測(cè)電路的
靈敏度。
(2) 本發(fā)明采用峰值檢測(cè)方法，可以直接檢測(cè)得到調(diào)制后的正弦信號(hào)的峰值，即為與 待測(cè)微弱電容的變化量成比例的直流信號(hào)，簡(jiǎn)化了檢測(cè)電路的原理和結(jié)構(gòu)。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電原理圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由兩組C/V轉(zhuǎn)換器1、減法器2、積分器3和峰值檢測(cè)器4組成。 在正弦激勵(lì)源的作用下，兩組C/V轉(zhuǎn)換器1將待測(cè)微弱電容和補(bǔ)償電容轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷毫亢筝敵?至減法器2的兩輸入端。在實(shí)際檢測(cè)前，通過(guò)改變可變補(bǔ)償電容器的值將減法器2的輸出調(diào) 零，即抵消了待測(cè)微弱電容的本體電容。因而在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，只檢測(cè)待測(cè)微弱電容的變化量， 且減法器2輸出峰值與待測(cè)微弱電容的變化量成比例的正弦信號(hào)。積分器3將輸入信號(hào)中的 高頻噪聲濾除，并對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行反相線性放大?？紤]到峰值檢測(cè)器4中的單向電流開關(guān)二 極管，積分器3需要將正弦信號(hào)放大，以保證峰值檢測(cè)器能夠正常工作。峰值檢測(cè)器4檢測(cè) 得到輸入正弦信號(hào)的峰值，即為與待測(cè)微弱電容的變化量成比例的直流信號(hào)。
如圖2所示，在同一高頻正弦激勵(lì)源11的作用下，通過(guò)兩組微分電路121和122，將待 測(cè)微弱電容131和補(bǔ)償電容132轉(zhuǎn)變?yōu)橥l、同相的正弦信號(hào)，并輸入至減法器21的兩輸 入端。選用合適的電阻器22、 23、 24、 25，使得電阻器24與22的比值等于電阻器25與23 比值。此時(shí)，減法器21的輸出信號(hào)與正、負(fù)相輸入信號(hào)的差值成比例，且該比例為電阻器 25與23的比值。因?yàn)檠a(bǔ)償電容132與待測(cè)微弱電容131的本體電容值相等，所以通過(guò)減法 器21，可以消除待測(cè)微弱電容131的本體電容值，且其輸出信號(hào)為峰值與待測(cè)微弱電容131 的變化量成比例的正弦信號(hào)。
積分器3的截止頻率由積分電容器33和反饋電阻器34的乘積決定。低于積分器截止頻 率的輸入，積分器3只對(duì)其進(jìn)行線性的反相放大；高于積分器3截止頻率的輸入，積分器3 對(duì)其進(jìn)行積分。 一般的噪聲，對(duì)其積分即可將其消除。因此，只需要選擇合適的積分電容器 33和反饋電阻器34，使得積分器3的截止頻率略高于輸入正弦信號(hào)的頻率，積分器3以濾除高于其aih頻率的噪聲，并對(duì)輸入正弦信號(hào)進(jìn)行線性的反相放大，放大倍數(shù)由反饋電
阻器34和輸入電阻器32的比值決定。利用積分器3,將輸入正弦信號(hào)的峰值放大至V級(jí)， 輸出至峰值檢測(cè)器4的輸入端。
峰值檢測(cè)器由輸入緩沖隔離運(yùn)算放大器41、單向電流開關(guān)二極管42和43、峰值存儲(chǔ)電 容器44、放電電阻器45、保護(hù)電阻器46、輸出緩沖隔離運(yùn)算放大器47組成。當(dāng)輸入正弦信 號(hào)大于零時(shí)，單向電流開關(guān)二極管42和43導(dǎo)通，信號(hào)通過(guò)輸入緩沖隔離放大器41迅速對(duì) 峰值存儲(chǔ)電容器44充電，直至其達(dá)到正弦信號(hào)的峰值。利用輸出緩沖隔離放大器47，輸出 能夠保持檢測(cè)得到的峰值。當(dāng)信號(hào)小于零時(shí)，單向電流開關(guān)二極管42和43關(guān)斷，輸出信號(hào) 保持為檢測(cè)得到的峰值。當(dāng)輸入正弦信號(hào)的峰值增大時(shí)，輸tB信號(hào)相應(yīng)增大；當(dāng)峰值減小時(shí)， 通過(guò)放電電阻器45，輸出信號(hào)相應(yīng)減小。峰值檢測(cè)器4檢測(cè)得到輸入正弦信號(hào)的峰值，即為
與待測(cè)微弱電容變化量成比例的直流信號(hào)。
權(quán)利要求
1、一種MEMS器件微弱電容檢測(cè)電路，其特征在于由兩組C/V轉(zhuǎn)換器(1)、減法器(2)、積分器(3)和峰值檢測(cè)器(4)組成，兩組C/V轉(zhuǎn)換器分別將待測(cè)微弱電容和補(bǔ)償電容轉(zhuǎn)換為電壓量，并分別輸出至減法器(2)的兩輸入端；減法器(2)計(jì)算得到兩組C/V轉(zhuǎn)換器(1)所輸出的電壓量之差，抵消待測(cè)微弱電容的本體電容，并將與待測(cè)微弱電容的變化量成比例的正弦信號(hào)輸出至積分器(3)的反相輸入端；積分器(3)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，并將放大的信號(hào)輸出至峰值檢測(cè)器(4)的輸入端；峰值檢測(cè)器(4)檢測(cè)輸入正弦信號(hào)的峰值，該直流量即與待測(cè)微弱電容的變化量成比例。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS器件微弱電容檢測(cè)電路，其特征在于所述的兩組C/V 轉(zhuǎn)換器(1)為兩組微分電路，.由運(yùn)算放大器(121、 122)、微分電容器(131、 132)、微分 電阻器(141、 142)組成，其中第一組微分電路使用待測(cè)微弱電容(131)，第二組微分電路 使用補(bǔ)償電容(132)，其電容值與待測(cè)微弱電容的本體電容值相等，其他部分則對(duì)應(yīng)完全一 致；在正弦激勵(lì)源(11)的作用下，兩組C/V轉(zhuǎn)換器(1)的輸出信號(hào)為兩個(gè)同頻、同相的 正弦信號(hào)，被分別接至減法器(2)的兩輸入端。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS器件微弱電容檢測(cè)電路，其特征在于所述的減法器(2) 由運(yùn)算放大器(21)、與運(yùn)算放大器正相輸入端連接的電阻(22)、與運(yùn)算放大器'(21)負(fù)相 輸入端連接的電阻(23)、連接運(yùn)算放大器(21)正相輸入端和地的電阻(24)、連接運(yùn)算放 大器(24)的負(fù)相輸入端和輸出端的電阻(25)組成，減法器(2)求取兩輸入信號(hào)的差值，其輸出信號(hào)的峰值與待測(cè)微弱電容的變化量成比。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS器件微弱電容檢測(cè)電路，其特征在于所述的峰值檢測(cè) 器(4)由輸入緩沖隔離運(yùn)算放大器(41)、單向電流開關(guān)二極管(42、 43)、峰值存儲(chǔ)電容 器(44)、放電電阻器(45)、保護(hù)電阻器(46)、輸出緩沖隔離運(yùn)算放大器(47)組成，當(dāng) 輸入正弦信號(hào)大于零時(shí)，單向電流開關(guān)二極管(42、 43)導(dǎo)通，信號(hào)通過(guò)輸入緩沖隔離放大 器(41)迅速對(duì)峰值存儲(chǔ)電容器(44)充電，直至其達(dá)到正弦信號(hào)的峰值，利用輸出緩沖隔 離放大器(47)，輸出能夠保持檢測(cè)得到的峰值；當(dāng)信號(hào)小于零時(shí)，單向電流開關(guān)二極管(42、 43)關(guān)斷，輸出信號(hào)保持為檢測(cè)得到的峰值；當(dāng)輸入正弦信號(hào)的峰值增大時(shí)，輸出信號(hào)相應(yīng) 增大；當(dāng)峰值減小時(shí)，通過(guò)放電電阻器(45)，輸出信號(hào)相應(yīng)減小。
全文摘要
一種MEMS器件微弱電容檢測(cè)電路，主要用于電容式MEMS器件中微弱電容的變化量檢測(cè)，包括兩組C/V轉(zhuǎn)換器、減法器、積分器和峰值檢測(cè)器，兩組C/V轉(zhuǎn)換器依據(jù)微分電路原理，利用同一高頻正弦激勵(lì)源，分別將MEMS器件中的待測(cè)微弱電容和補(bǔ)償電容轉(zhuǎn)換為正弦電壓量；減法器對(duì)輸入的兩路正弦電壓量作減法，計(jì)算所得正弦信號(hào)的峰值與待測(cè)微弱電容的變化量成比例；積分器對(duì)輸入正弦信號(hào)進(jìn)行濾波和放大；峰值檢測(cè)器直接檢測(cè)得到正弦信號(hào)的峰值，即為與待測(cè)微弱電容的變化量成比例的直流信號(hào)。本發(fā)明利用補(bǔ)償電容抵消了待測(cè)微弱電容的本體電容，對(duì)單一待測(cè)電容實(shí)現(xiàn)了類差分式檢測(cè)；采用峰值檢測(cè)方法，直接通過(guò)正弦信號(hào)檢測(cè)得到與待測(cè)微弱電容的變化量成比例的直流信號(hào)。
文檔編號(hào)G01R27/26GK101551420SQ200910083568
公開日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2009年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者舟 馮, 莊海涵, 樊尚春, 鄭德智, 郭占社 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)