单片集成MEMS压力传感器接口电路的高精度设计

"本文主要探讨了单片集成的微电子机械系统(MEMS)电容式压力传感器的接口电路设计，这种传感器的电容结构由多晶硅、栅氧和n阱硅材料构成，并通过特定的制造工艺实现了电容结构的释放和真空腔的密封。接口电路基于电容-频率转换原理，利用张驰振荡器实现，通过差频技术有效减少了温度漂移和工艺变化带来的影响，从而提高了测量精度。" 在单片集成MEMS电容式压力传感器的设计中，关键在于其电容结构。该结构由多晶硅、栅氧层和n阱硅三层材料组成，这样的设计旨在优化传感器的敏感性和稳定性。传感器的工作原理是利用压力变化导致电容值的变化，而这些变化随后会被转换成可读的电信号。为了实现这一目标，采用了体硅腐蚀和阳极键合等先进的后处理工艺，确保电容结构的释放并实现腔体的真空密封，以防止外界环境对测量结果的干扰。 接口电路的设计是整个系统的核心。它基于电容-频率转换电路，该电路结构简洁，主要由电流源、CMOS传输门和施密特触发器组成的张驰振荡器构成。在这个电路中，电容的充放电过程会导致振荡器输出频率的变化，从而将压力变化转化为频率信号。为了提高精度，电路还包括一个差频电路，通过比较传感器电容产生的频率fs与参考电容Cr产生的参考频率fr，计算两者的差值，进一步减小了温度变化和制造过程中的不一致性对测量结果的影响。 差频电路由D触发器实现，它能够稳定地输出传感器频率与参考频率之差，确保输出频率与压力成正比。通过选择合适的参考电容Cr和设定适当的充放电电流I，可以优化参考频率fr，使其保持在大约100kHz，同时使传感器频率和参考频率之间的差值最小，从而提高系统的整体精度。 通过Pspice仿真，接口电路的误差特性得以展示。结果表明，当参考频率在100kHz左右时，电路的输出误差较小，而且参考频率与传感器频率的差值越小，输出精度越高。因此，在实际设计时，应合理选择电路参数，以确保最佳的性能表现。 单片集成的MEMS电容式压力传感器接口电路设计结合了高效的电容-频率转换技术和差频技术，有效地克服了温度漂移和工艺波动，实现了高精度的压力测量。这种设计对于需要精确压力监测的多种应用，如工业自动化、医疗设备、航空航天等领域，具有重要的实用价值。