[发明专利]一种MEMS器件微弱电容检测电路

说明书

技术领域

本发明属于MEMS器件中的微弱信号检测领域，它是MEMS器件的重要组成部分，对于提高器件的性能具有至关重要的作用。

背景技术

MEMS器件具有体积小、寿命长、能耗低、易于集成以及成本低廉等特点，因而在工业、信息、航空航天、国防等领域得到了广泛运用。

根据检测方法的不同，MEMS器件可以分为压阻式、压电式、电容式、热电偶式、光纤式、电磁式等，其中，压阻式、压电式和电容式是目前的主流方向，而电容式MEMS器件因具有测量范围大、灵敏度高、动态响应快、稳定性好等突出优点，得到了最为广泛的应用，成为国内外各大公司和科研机构的研究重点。

电容式MEMS器件体积小的特点决定了其敏感电容的电容值非常小，一般为pF量级，而由待测物理量引起的电容变化量则更加微小，一般为fF量级，甚至是aF量级。如此小的待测量决定了微弱电容检测电路的重要性，其性能对于电容式MEMS器件的性能具有决定性的作用。

针对如此微小的电容变化量，为了提高检测电路的精度和灵敏度，通常采用的是差分式检测的方法。但是，差分式检测电路需要一对完全相同的差分检测电容，而且要求两个差分检测电容敏感待测物理量时的响应为相反的，这意味着差分式检测电路对于传感器的结构设计提出了相应的要求，因而其应用领域受到一定限制。

目前，电容式MEMS器件使用较多的是直流充放电法和交流法。充放电法在施加方波激励时，交流放大输出的是窄脉冲，信号占空比很低，所以信噪比也很低；其次，放大脉冲信号需要较大的带宽，高次谐波两侧的噪声也将被相控整流器搬移到低频段，因而加大了低频噪声。交流法使用单一频率的正弦信号作为激励，信号平均值大，从而能够得到较高的输出信噪比；同时，所处理的信号是单一频率正弦信号，可以使用窄带带通放大器，减小放大器引入的噪声，进一步提高输出信号的信噪比。因而，交流法在实际的微弱电容检测电路中得到了更多的应用。

利用交流法进行微弱电容检测时，通常是在输入正弦激励源的作用下，利用载波调制的方法将待测微弱电容的变化调制为正弦信号的峰值变化，再将调制后的正弦信号解调为直流信号输出。目前常用的调制方法主要有两种：(1)全波整流法。首先利用全波整流电路对正弦信号进行全波整流，再将输出信号通过低通滤波器得到直流信号；(2)相干检测法。利用移相电路对输入正弦激励信号进行移相处理，使其与调制后的正弦信号相位一致。将移相后的输入正弦激励信号与调制后的正弦信号输入至乘法器两端，再通过低通滤波器得到直流信号。采用这两种方法时，微弱电容检测电路的原理和结构都比较复杂，容易引入相应的误差。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对传统检测方法的不足，提出了一种新型的MEMS器件微弱电容检测电路，以解决传统的微弱电容检测方法需要一对完全相同的待测电容以实现差分式检测，正弦信号解调部分的原理和结构复杂等问题，减少了可能引入的误差。

本发明的技术解决方案：一种MEMS器件微弱电容检测电路，包括两组C/V转换器、减法器、积分器和峰值检测器，两组C/V转换器分别将待测微弱电容和补偿电容转换为电压量，并输出至减法器的两输入端；减法器计算得到两组C/V转换器输出的电压量之差，抵消待测微弱电容的本体电容，并将与待测微弱电容的变化量成比例的正弦信号输出至积分器的反相输入端；积分器对信号进行滤波和放大，将放大后的信号输出至峰值检测器的输入端；峰值检测器检测输入正弦信号的峰值，该直流量即与待测微弱电容的变化量成比例。