集成濕度傳感器信號(hào)處理電路的研究.pdf

1、濕度傳感器廣泛應(yīng)用于軍事、氣象、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、建筑以及家用電器等方面。論文中的濕度傳感器采用鋁叉指結(jié)構(gòu)和聚酰亞胺感濕材料實(shí)現(xiàn)的電容式微型傳感器。隨著CMOS技術(shù)和MEMS技術(shù)的發(fā)展,已可以將濕度傳感器和信號(hào)處理電路進(jìn)行單片集成,以克服分立器件檢測(cè)電路精度低、易受干擾的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化、智能化。
　　 實(shí)驗(yàn)室前期對(duì)微電容式傳感器的片上檢測(cè)方案做了較多的研究,特別是電容-頻率法,進(jìn)行了相應(yīng)的流片和測(cè)試。但是從流片的測(cè)試結(jié)

2、果看,效果并不理想,主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):(1)未實(shí)現(xiàn)單片集成的目的,電路不能檢測(cè)片上電容；(2)濕度傳感器和電路本身的溫漂較大,極大的影響了電路的檢測(cè)精度；(3)缺少對(duì)電路各模塊的優(yōu)化和整體考慮,如恒流源充放電電流不一致,schmitt觸發(fā)器的高低閾值電平不穩(wěn)定,差頻電路不能正常工作,缺少對(duì)電路輸入的保護(hù)和輸出驅(qū)動(dòng)的考慮等。
　　 通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外微電容處理電路的典型方案,論文采用電容-頻率法對(duì)微電容進(jìn)行檢測(cè)。首先針對(duì)前人研究的電

3、容-頻率轉(zhuǎn)換方案所出現(xiàn)的諸多非理想效應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化:(1)采用帶有特定溫度系數(shù)的電流基準(zhǔn)作為充放電電流的偏置,補(bǔ)償傳感器和電路出現(xiàn)的溫漂；(2)加強(qiáng)恒流源充放電電流的一致性；(3)設(shè)計(jì)更合理的schmitt觸發(fā)器的高低閾值電平,重點(diǎn)考慮開關(guān)的非理想特性以及電路與外部接口的隔離和保護(hù)等;(4)采用差分式的檢測(cè)方案,將傳感器設(shè)計(jì)成完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu),其中旋涂聚酰亞胺的結(jié)構(gòu)作為敏感電容,未作處理的結(jié)構(gòu)作為參考電容,分別對(duì)兩路電容進(jìn)行檢測(cè),最后差

4、頻輸出。差分式檢測(cè)方案可以較好的抑制工藝、電源、溫度(PVT)的波動(dòng)對(duì)檢測(cè)電路的影響,減小CMOS電路的低頻噪聲等共模干擾。
　　 論文完成電路的設(shè)計(jì)和版圖的繪制,在中電24所標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝上流片兩次,將濕度傳感器和信號(hào)處理電路制作在一起,實(shí)現(xiàn)CMOS MEMS的單片集成。第一次流片測(cè)試結(jié)果不理想；分析原因并做改進(jìn)后進(jìn)行第二次流片,經(jīng)測(cè)試各單元電路能正常工作,信號(hào)處理電路能實(shí)現(xiàn)片上濕度傳感器電容的檢測(cè),分辨率達(dá)到11Hz／f