一种高精度硅微谐振式压力传感器接口电路

摘要

本发明涉及一种高精度硅微谐振式压力传感器接口电路，属于微机械传感器领域。该电路的跨阻放大器6输出高频调制信号u(t)包含了有用信号，经过高通滤波器7，低频耦合信号被消除，再经过解调器8、低通滤波器9、仪表放大器10得到的输出信号v(t)只包含低频有用信号，信噪比高。载波发生器1在微谐振器4上加高频载波v

说明书

技术领域

本发明涉及一种高精度硅微谐振式压力传感器接口电路，属于微机械传感器领域。 

背景技术

硅微谐振式压力传感器是目前精度最高的硅微压力传感器，通过间接测量微谐振器的频率变化来达到测量压力的目的，频率输出为准数字输出，可与计算机直接接口，且其响应快、频带宽、功耗低、体积小、结构紧凑。为了测量微谐振器的谐振频率，需要通过某种检测/激励方式把谐振器保持在谐振状态，常用的检测方法有电容检测、电热检测、压阻检测等，相应的激励方法有静电激励、电热激励、电磁激励等；其中静电激励\电容检测因结构简单，稳定性好受到广泛应用；对于微电容式谐振器，检测端与驱动端处于同一硅衬底上，相互之间距离非常近，而谐振器振动幅值较小，其有用可变电容一般在fF量级，而驱动与检测间的耦合电容在pF量级，因此在检测的信号中，同频耦合信号远大于有用信号，使得微弱的有用信号很难被有效地检测到。为解决此问题，可以通过增大谐振器振动幅值，增大驱动端与检测端的距离以增大有用信号，减小耦合信号，也可以通过在驱动端与检测端之间加屏蔽的方法减小耦合电容，但这些方法适用范围有限，信噪比低，耦合信号无法完全消除。 

发明内容

为了克服以上缺陷，本发明提出一种基于载波调制/解调，能消除耦合信号，信噪比高的硅微谐振式压力传感器接口电路。 

参阅图1，本发明的技术方案是：一种高精度硅微谐振式压力传感器接口电路，包括载波发生器1、驱动信号发生器2、跨阻放大器6、检测端5、高通滤波器7、解调器8、低通滤波器9和仪表放大器10；载波发生器1在微谐振器4上加高频载波v_i，同时驱动信号发生器2产生驱动信号v_d加在谐振器驱动端3驱动谐振器4振动，振动 产生的低频差分有用信号被调制到高频，两个跨阻放大器6将检测端5输出的两个差分交变电流信号转变成电压信号u(t)＝R(C₀±ΔC)v_i+RC₁v_d，其中C₀为谐振器与检测端的固定电容，ΔC为谐振器振动产生的交变有用电容，C₁为驱动端与检测端的耦合电容，R为跨阻放大器6跨接的电阻；高通滤波器7滤除耦合低频信号RC₁v_d，保留有用调制信号，解调器8将调制信号解调，低通滤波器9将解调后的高频信号滤除，保留低频有用信号，仪表放大器10将差分有用信号转成单端信号并放大。 

本发明提出的基于载波调制/解调的硅微谐振式压力传感器接口电路的工作过程包括以下步骤： 

步骤1：驱动信号信号发生器2与载波发生器分别1作用在驱动端3和谐振器4上， 

驱动谐振器振动，检测端5输出电流信号i(t)； 

步骤2：x(t)经过跨阻放大器6输出电压信号u(t)； 

步骤3：u(t)经过高通滤波器7输出信号u′(t)； 

步骤4：u′(t)经过解调器8输出信号h(t)； 

步骤5：h(t)经过低通滤波器9输出信号h′(t)； 

步骤6：两路差分信号h′(t)经过仪表放大器10输出v(t)； 

本发明的有益效果是：跨阻放大器6的输出为高频调制信号u(t)，其包含了有用信号，经过高通滤波器7，低频耦合信号被消除，再经过解调器8、低通滤波器9、仪表放大器10得到的输出信号v(t)只包含低频有用信号，信噪比高。 

附图说明

图1是本发明提出的硅微谐振式压力传感器接口电路原理示意图。 

图中，1-载波发生器，2-驱动信号发生器，3-传感器驱动端，4-谐振器，5-传感器检测端，6-跨阻放大器，7-高通滤波器，8-解调器，9-低通滤波器，10-仪表放大器。 

具体实施方式

本实例采用的微谐振器谐振频率在大气压下为5KHz，载波为正弦波，频率为1MHz，幅值1V，驱动信号为5KHz正弦电压信号，幅值100mV，微谐振器与检测端有用变化电容为10fF，谐振器与检测端固定电容为1pF，驱动端与检测端耦合电容为2pF。 

本实施例中硅微谐振式压力传感器接口电路的工作过程，包括以下步骤： 

步骤一：频率5KHz，幅值100mV的驱动电压信号2与频率1MHz，幅值1V的载波信号1分别作用在传感器驱动端3与谐振器4上，驱动谐振器振动，使传感器检测端5输出电流信号i(t)； 

步骤二：i(t)经过跨阻放大器6输出电压信号u(t)＝0.01sin(2π·5000t)·sin(2π·10⁶t)+10sin(2π·10⁶t)+1sin(2π·5000t)V；其中0.01sin(2π·5000t)·sin(2π·10⁶t)V为包含有用交变电容信号的已调制信号，10sin(2π·10⁶t)V为谐振器与检测端固定电容引起的载波耦合信号，1sin(2π·5000t)V为检测端与驱动端耦合电容引起的低频耦合信号； 

步骤三：u(t)经过高通滤波器7输出信号u′(t)＝0.01sin(2π·5000t)·sin(2π·10⁶t)+10sin(2π·10⁶t)V；其中低频耦合信号1sin(2π·5000t)V被滤除； 

步骤四：u′(t)经过解调器8输出信号h(t)＝|u′(t)|＝|0.01sin(2π·5000t)·sin(2π·10⁶t)+10sin(2π·10⁶t)|V； 

步骤五：h(t)经过低通滤波器9输出信号h′(t)＝0.01sin(2π·5000t)V； 

步骤六：两路差分信号h′(t)经过仪表放大器10输出v(t)＝50·[0.01sin(2π·5000t)-(-1)·0.01sin(2π·5000t)]＝1sin(2π·5000t)V。