硅微加速度计的接口检测电路的研究

　　1　引　　言

　　微机械加速度计对输入加速度的测量通常采用的方法是,由加速度引起的差动敏感电容器的变化经容性接口转化为与输入加速度成正比的电压信号,而输出电压信号与输入加速度成正比(标度因数),只要测量输出电压信号即可。然而,由加速度引起的微机械加速度计的敏感电容器的变化通常都很小,典型位移为1A°的百分之一到千分之一量级,相当于1aF的十分之一到百分之一的电容变化量ΔC(1aF=10-18F),ΔC/C约为10-7～10-8,输出电压为μV甚至nV量级。如此小的变化量对检测电路的设计是一个挑战,因为传感器中的误差源通常都远大于所要检测的变化量,如果不能采取有效措施减小这些误差源,最后根本无法检测到真正的输入角速度。本文将研究能够敏感电容变化率为10-7～10-8的接口检测技术。

　　2　微小电容变化量的基本检测电路

　　微加速度计的敏感电容器一般由两个平行板与其下的电极构成的差动平行板电容器C1和C2,如图1所示。上板与衬底、屏蔽层之间的寄生电容Cp1、Cp2是接口中的主要寄生电容,极大地削弱了输出信号。一种检测电路是如图2所示的积分器。积分器接成虚地,寄生电容被短路,电荷直接流入积分电容中,而不会受寄生电容的影响。则积分器的输出电压和信噪比分别为

　　如果积分器的开环增益足够高,则积分器的线性仅受积分电容的限制,因此,采用积分器作为检测电路是有优势的。

　　3　相关双采样技术

　　在几kHz到几十kHz的微机械加速度计的工作频率范围内,主要是MOSFET的闪烁噪声和放大器本身的直流漂移误差。然而由于这些噪声的干扰,仅凭积分器是不能检测出10-7～10-8的电容变化率。为了抑制这些噪声,可采用相关双采样技术[1,2]。这是一种采样技术,即在每个时钟周期对放大器的噪声和漂移采样两次,第一次仅采样噪声和漂移,并将它们贮存在一个电容中;第二次对信号、噪声和漂移采样。将两次采样的结果相减,得到了纯净的信号(图3)。该电路中的Av1是主放大器,Av2是从放大器,其作用是减小输出信号,与Av1的作用相反。

　　下面具体分析这个电路的工作过程。图4所示是积分器有噪声和漂移输入时的接口电路。此时输出电压为

　　图5(a)、(b)、(c)分别是采用相关双采样技术减小噪声和漂移的过程。第一步是测量噪声和漂移(图6(a)),此时开关φ1闭合,两个敏感电容器Cs1、Cs2及积分电容Cint被接地,放大器将放大自身的噪声和漂移

　　第二步是消除噪声和漂移(图5(b)),开关φ1仍然闭合