[发明专利]一种电容式MEMS传感器的检测电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测电路，尤其是一种电容式MEMS传感器的检测电路，属于电容式MEMS传感器检测的技术领域。

背景技术

电容式MEMS传感器广泛运用于工业、民用、航空航天、国防等领域。由于电容式MEMS传感器尺寸的缘故，这类传感器的输出信号极为微弱，典型的电容式MEMS传感器输出信号为fF量级，如此小的待测量决定了微弱电容检测电路的重要性，其性能对于MEMS系统性能具有重要作用。

为提高MEMS传感器输出线性度、抑制共模噪声，电容式MEMS传感器中的敏感电容大多采用差分电容的形式。现有的微小差分电容检测方法主要有C—V转换和直流充放电法。其中，C-V转换法原理应用相同电荷在不同大小电容两端引起电势差与电容大小成反比，通过比较基准电压与输出电压，由参考电容大小计算待测电容大小，此方法的缺点在于电荷传递过程中难以保证电荷等量传递，抗干扰能力差。直流充放电法，即用恒流源同时对待测电容和参考电容充放电，当电容两端电压达到施密特触发器翻转电压时，电路翻转，电路输出两路频率与电容大小相关的信号。虽然输出信号是抗干扰很强的频率信息，但与频率直接相关的电容充放电过程对电压很敏感，且充放电的转换过程由晶体管控制，状态切换瞬间会存在电荷注入和电荷馈通效应，严重影响检测精度。

另外，房建成、宋星、盛蔚等人的《一种微小差分电容的检测电路》（专利号为ZL200810112292.2）提出一种将待测电容与固定电感构成选频网络并与锁相环跟踪电路组成谐振单元检测电容的方法，其选频网络的组成过于理想化，没有考虑实际情况中电子元件损耗、能量不断减弱的特点，在一定程度上制约这种测试方法的精度；采用开环系统，对外界干扰敏感，不利于稳定信号输出。

上述方法均不适合高精度MEMS电容检测领域，为满足高精度检测的需要，需设计一种测量精度高、抗干扰能力强、克服能量损耗、结构简单利于单片集成的MEMS电容检测方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种电容式MEMS传感器的检测电路，其结构紧凑，测量精度高，抗干扰能力强，克服能量损耗，便于单片集成，稳定可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述电容式MEMS传感器的检测电路，包括用于与第一待测电容、第二待测电容相连后形成的谐振单元，所述谐振单元通过频率检测单元与差频电路相连，频率检测单元的输出端分别与第一待测电容的第一可动极板、第二待测电容的第二可动极板相连；第一待测电容、第二待测电容对应连接形成与谐振单元，谐振单元内能产生谐振频率，并能对谐振衰减的能量补偿；频率检测单元根据谐振单元输出的谐振频率驱动差频电路输出对应的频率信号。

所述谐振单元包括选频网络及有源电路；所述第一待测电容、第二待测电容的两端均并联有选频电感，以形成选频网络；所述有源电路包括第一PMOS管及第二PMOS管，所述第一PMOS管的漏极端与第二PMOS管的栅极端及第一待测电容的第一端相连，第一待测电容的第二端与第一NMOS管的漏极端相连，第一NMOS管的栅极端与第二NMOS管的漏极端相连；第二NMOS管的栅极端与第一NMOS管的漏极端相连，第二NMOS管的漏极端还与第二待测电容的第二端相连，第二待测电容的第一端与第二PMOS管的漏极端相连，第二PMOS管的栅极端与第一PMOS管的漏极端相连，第一PMOS管及第二PMOS管的源极端均与电源VCC相连；第一NMOS管的源极端及第二NMOS管的源极端与电流镜相连；第一NMOS管的漏极端与第二NMOS管的栅极端及第一电容的第二端相连后形成第一谐振单元输出端，第二NMOS管的漏极端与第一NMOS管的栅极端及第二电容的第二端相连后形成第二谐振单元输出端。

所述电流镜包括第三NMOS管及第四NMOS管，所述第三NMOS管及第四NMOS管的源极端均接地；第四NMOS管的栅极端与第三NMOS管的栅极端及第三NMOS管的漏极端相连；第四NMOS管的漏极端通过窄带电感与第一NMOS管的源极端及第二NMOS管的源极端相连；第四NMOS管的源极端与第四NMOS管的漏极端间通过源端电容相连；第三NMOS管的漏极端与偏置电流Ibias相连。

所述频率检测单元包括第一高通滤波器、第二高通滤波器、第一施密特触发器及第二施密特触发器，谐振单元的输出端分别与第一高通滤波器及第二高通滤波器相连，第一高通滤波器的输出端与第一施密特触发器的输入端相连，第一施密特触发器的输出端与第一可动极板相连，并与差频电路相连；第二高通滤波器的输出端与第二施密特触发器的输入端相连，第二施密特触发器的输出端与第二可动极板相连，并与差频电路相连。