集成湿度传感器信号处理电路的研究

摘要

湿度传感器广泛应用于军事、气象、工业、农业、医疗、建筑以及家用电器等方面。论文中的湿度传感器采用铝叉指结构和聚酰亚胺感湿材料实现的电容式微型传感器。随着CMOS技术和MEMS技术的发展,已可以将湿度传感器和信号处理电路进行单片集成,以克服分立器件检测电路精度低、易受干扰的缺点,实现传感器的集成化、智能化。
　　 实验室前期对微电容式传感器的片上检测方案做了较多的研究,特别是电容-频率法,进行了相应的流片和测试。但是从流片的测试结果看,效果并不理想,主要表现在以下几点:(1)未实现单片集成的目的,电路不能检测片上电容；(2)湿度传感器和电路本身的温漂较大,极大的影响了电路的检测精度；(3)缺少对电路各模块的优化和整体考虑,如恒流源充放电电流不一致,schmitt触发器的高低阈值电平不稳定,差频电路不能正常工作,缺少对电路输入的保护和输出驱动的考虑等。
　　 通过分析国内外微电容处理电路的典型方案,论文采用电容-频率法对微电容进行检测。首先针对前人研究的电容-频率转换方案所出现的诸多非理想效应进行改进和优化:(1)采用带有特定温度系数的电流基准作为充放电电流的偏置,补偿传感器和电路出现的温漂；(2)加强恒流源充放电电流的一致性；(3)设计更合理的schmitt触发器的高低阈值电平,重点考虑开关的非理想特性以及电路与外部接口的隔离和保护等;(4)采用差分式的检测方案,将传感器设计成完全对称的结构,其中旋涂聚酰亚胺的结构作为敏感电容,未作处理的结构作为参考电容,分别对两路电容进行检测,最后差频输出。差分式检测方案可以较好的抑制工艺、电源、温度(PVT)的波动对检测电路的影响,减小CMOS电路的低频噪声等共模干扰。
　　 论文完成电路的设计和版图的绘制,在中电24所标准的CMOS工艺上流片两次,将湿度传感器和信号处理电路制作在一起,实现CMOS MEMS的单片集成。第一次流片测试结果不理想；分析原因并做改进后进行第二次流片,经测试各单元电路能正常工作,信号处理电路能实现片上湿度传感器电容的检测,分辨率达到11Hz／fF。