專利名稱：單片集成mems電容傳感器鎖相放大電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，是一種MEMS與CMOS集成設(shè)計(jì)單片集成接口電路。
背景技術(shù)：
鎖相技術(shù)已經(jīng)被電子設(shè)備所廣泛使用，其具有很多優(yōu)點(diǎn)。MEMS傳感器是當(dāng)今發(fā)展的另一個熱點(diǎn)，其輸出信號一般比較微弱，需要斬波，相關(guān)雙采樣等技術(shù)提供信號強(qiáng)度。圖I為常規(guī)的鎖相技術(shù)的框圖，其有四個部分構(gòu)成，主要關(guān)系是信號通道同參考通道接受同一個規(guī)定的調(diào)制頻率調(diào)制，信號通道包括一些放大和濾波的電路，用于將目標(biāo)信號放大到滿意的范圍，在參考通道里，包括相移電路以及驅(qū)動電路，用于產(chǎn)生同頻率和滿足相位的參考頻率，最后在相敏放大器和低通濾波器中將噪聲部分去除，得到放大后的信 號。如果將MEMS和CMOS鎖相放大技術(shù)結(jié)合起來，將有很好的輸出特性和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，將MEMS與CMOS融合設(shè)計(jì)。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路包括交流調(diào)制信號發(fā)生器、MEMS電容電橋、前置放大器、濾波電路、交流放大電路、相敏檢測器、低通濾波器、方波驅(qū)動電路、移相電路和參考觸發(fā)電路；所述調(diào)制信號發(fā)生器輸出端連接MEMS電容電橋輸入端和參考觸發(fā)電路輸入端，交流調(diào)制信號發(fā)生器產(chǎn)生交流調(diào)制信號，其信號頻率同時調(diào)制MEMS電容電橋和參考觸發(fā)電路；在信號通道上，MEMS電容電橋輸出連接下一級的前置放大器的輸入端，前置放大器的輸出連接濾波電路的輸入端，經(jīng)過濾波，濾波電路輸出與交流放大電路的輸入端相接，交流放大電路的輸出與相敏檢測器的一個輸入端相接；在參考通道上，參考觸發(fā)電路的輸出接移相電路的輸入端，移相電路輸出端接方波驅(qū)動電路的輸入端，方波驅(qū)動電路的輸出接相敏檢測器的另一個輸入端；經(jīng)過相敏檢測器的相關(guān)性檢測，相敏檢測器的輸出連接低通濾波器輸入端，最后低通濾波器輸出最終的信號。所述單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路包括MEMS器件部分和CMOS讀出電路部分，MEMS器件部分包括所述MEMS電容電橋；CM0S讀出電路部分包括所述前置放大器、濾波電路、交流放大電路、相敏檢測器、低通濾波器、方波驅(qū)動電路、移相電路、參考觸發(fā)電路；通過單片集成技術(shù)將所述MEMS器件部分和CMOS讀出電路部分同時在硅片上實(shí)現(xiàn)。所述CMOS讀出電路部分采用單端輸出、單端輸入的結(jié)構(gòu)，或采用雙端輸入和雙端輸出的全差分結(jié)構(gòu)。所述CMOS讀出電路部分通過CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，采用CMOS器件或NMOS管、PMOS管。所述MEMS電容電橋包括第一可變電容、第三可變電容、第二可變電容和第四可變電容按順序首尾相接，其中第一可變電容和第二可變電容屬于同種類型電容，第三可變電容和第四可變電容屬于同種類型電容；第一可變電容和第二可變電容可以由固定容值電容代替，第三可變電容和第四可變電容也可以由固定容值電容代替。所述相敏檢測器可以是開關(guān)形式，包括第一調(diào)制開關(guān)、第三調(diào)制開關(guān)、第二調(diào)制開關(guān)、第四調(diào)制開關(guān)按順序首尾相接，所述第一調(diào)制開關(guān)兩端為相敏檢測器正端，第二調(diào)制開關(guān)兩端為相敏檢測器負(fù)端；其中第一調(diào)制開關(guān)和第二調(diào)制開關(guān)受相同時鐘CLK調(diào)制，第三調(diào)制開關(guān)和第四調(diào)制開關(guān)受所述時鐘CLK的反向時鐘調(diào)制。所述相敏檢測器也可以采用不帶開關(guān)的模擬乘法器。所述濾波電路采用低通濾波器或是高通濾波或是帶通濾波器。所述參考觸發(fā)電路的輸出端可以通過倍頻電路與移相電路的輸入端相連。也可以省略倍頻電路。所述低通濾波器能夠由無限積分時間積分濾波器所代替。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明是建立在MEMS與CMOS融合設(shè)計(jì)的平臺，通過差分電容電橋的變化，加上頻率調(diào)制，實(shí)現(xiàn)MEMS與CMOS單片集成，同時為了降低MEMS器件的噪聲和影響，使用鎖相技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)⒓纳鷧?shù)等不理想特性減小到最理想的情況，通過濾波和互相關(guān)技術(shù)去掉噪聲的影響。


圖I為常規(guī)鎖相放大電路。圖2為本發(fā)明的MEMS與CMOS單片集成鎖相放大電路。圖3為MEMS電容電橋的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。圖4為相敏檢測器的開關(guān)形式電路。圖5為本發(fā)明的積分器形式輸出的整體電路圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明包括四個主要部分，分別為MEMS電容電橋，信號輸入通道、參考信號輸入通道、相關(guān)器。其中，MEMS電容電橋102為MEMS器件部分，其余部分為CMOS電路部分，如圖2所示，具體包括交流調(diào)制信號發(fā)生器10UMEMS電容電橋102、前置放大器103、濾波電路104、交流放大電路105、相敏檢測器106、低通濾波器107、方波驅(qū)動電路108、移相電路109和參考觸發(fā)電路111 ;所述調(diào)制信號發(fā)生器101輸出端連接MEMS電容電橋102輸入端和參考觸發(fā)電路111輸入端，交流調(diào)制信號發(fā)生器101產(chǎn)生交流調(diào)制信號，其信號頻率同時調(diào)制MEMS電容電橋102和參考觸發(fā)電路111 ;在信號通道上，MEMS電容電橋102輸出連接下一級的前置放大器103的輸入端，前置放大器103的輸出連接濾波電路104的輸入端，經(jīng)過濾波，濾波電路104輸出與交流放大電路105的輸入端相接，交流放大電路105的輸出與相敏檢測器106的一個輸入端相接；在參考通道上，參考觸發(fā)電路111的輸出接移相電路109的輸入端，移相電路109輸出端接方波驅(qū)動電路108的輸入端，方波驅(qū)動電路108的輸出接相敏檢測器106的另一個輸入端；經(jīng)過相敏檢測器106的相關(guān)性檢測，相敏檢測器106的輸出連接低通濾波器107輸入端，最后低通濾波器107輸出最終的信號。圖中，所述參考觸發(fā)電路111的輸出端通過倍頻電路110與移相電路109的輸入端相連。倍頻電路110根據(jù)系統(tǒng)的要求可以使用，也可以根據(jù)系統(tǒng)的要求去掉倍頻電路110。MEMS電容電橋102是此發(fā)明中的核心部分，因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)存在難度，所以，此處既可以是電容差分變化，也可以是其中兩個單向變化。信號通道中有前置放大器103、濾波電路104、交流放大電路105構(gòu)成，其中前置放大器103具有低噪聲和低失調(diào)的特點(diǎn)，增益適中，濾波電路104的作用是濾除電路中的雜散頻率部分，由于前置放大的增益可能不能滿足系統(tǒng)的要求，因此，在濾波電路104后面可以加上一個交流放大電路105。參考通道中，包括一個參考觸發(fā)電路111、移相電路109和方波驅(qū)動電路108。
最后一個部分是相敏檢測器106和低通濾波器107。本電路的優(yōu)點(diǎn)是MEMS電容電橋產(chǎn)生的交流信號，通過與參考通道的交流信號進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算，消除系統(tǒng)中引入的噪聲和高頻分量，最后得到直流或是低頻的放大信號。如圖2所示，本發(fā)明包括MEMS器件部分和CMOS讀出電路部分。MEMS器件部分包括MEMS電容電橋102 ；CM0S讀出電路部分包括前置放大器103、濾波電路104、交流放大電路105、相敏檢測器106、低通濾波器107、方波驅(qū)動電路108、移相電路109、倍頻電路110、參考觸發(fā)電路111。其中兩個部分的結(jié)合是通過單片集成技術(shù)，即將MEMS器件部分和CMOS電路同時在硅片上實(shí)現(xiàn)。所述CMOS讀出電路部分既可以是單端輸出，單端輸入的結(jié)構(gòu)，也可以是雙端輸入和雙端輸出的全差分結(jié)構(gòu)。CMOS讀出電路部分包括前置放大器103、濾波電路104、交流放大電路105、相敏檢測器106、低通濾波器107、方波驅(qū)動電路108、移相電路109、倍頻電路110、參考觸發(fā)電路111。所述CMOS讀出電路部分是通過CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，可以是CMOS、NMOS, PMOS管。所述MEMS電容電橋102為叉指結(jié)構(gòu)或是三明治結(jié)構(gòu)，如圖3所示，該MEMS電容電橋102結(jié)構(gòu)包括第一可變電容117、第二可變電容118、第三可變電容119和第四可變電容120。其連接關(guān)系為第一可變電容117、第三可變電容119、第二可變電容118和第四可變電容120按順序首尾相接。其中第一可變電容117和第二可變電容118屬于同種類型，第三可變電容119和第四可變電容120屬于同種類型，第一可變電容117和第二可變電容118可以由固定容值電容代替，第三可變電容119和第四可變電容120也可以由固定容值電容代替。所述的信號通道部分都為CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝下的電路。前置放大器103可以是NMOS和CMOS結(jié)構(gòu)，濾波電路104根據(jù)交流調(diào)制信號發(fā)生器101產(chǎn)生調(diào)制頻率的不同和對輸出信號的特點(diǎn)不同要求，可以采用低通濾波器或是高通濾波或是帶通濾波器，可以采用典型的RC濾波器結(jié)構(gòu)，也可以采用Gm-C等形式的濾波器。可以為RC濾波電路也可以是Gm-C濾波電路，交流放大電路105也是CMOS工藝下的電路。所述參考通道內(nèi)的電路和相關(guān)器電路也都為CMOS工藝下電路。所述相敏檢測器106為開關(guān)形式，也可使用普通的模擬乘法器，即不帶開關(guān)的模擬乘法器。如圖4所示，該相敏檢測器106包括四個受時鐘調(diào)制的開關(guān)。連接關(guān)系為第一調(diào)制開關(guān)112、第三調(diào)制開關(guān)114、第二調(diào)制開關(guān)113、第四調(diào)制開關(guān)115按順序首尾相接。所述第一調(diào)制開關(guān)112兩端為相敏檢測器106正端，第二調(diào)制開關(guān)113兩端為相敏檢測器106負(fù)端。其中第一調(diào)制開關(guān)112和第二調(diào)制開關(guān)113受相同時鐘CLK調(diào)制，第三調(diào)制開關(guān)114和第四調(diào)制開關(guān)115受時鐘CLK的反向時鐘調(diào)制。
如圖5所示，圖2中的低通濾波器107可以由無限積分時間積分濾波器116所代替。
權(quán)利要求
1.單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是包括交流調(diào)制信號發(fā)生器(101)、MEMS電容電橋(102)、前置放大器(103)、濾波電路(104)、交流放大電路(105)、相敏檢測器(106)、低通濾波器(107)、方波驅(qū)動電路(108)、移相電路(109)和參考觸發(fā)電路(111);所述調(diào)制信號發(fā)生器(101)輸出端連接MEMS電容電橋(102)輸入端和參考觸發(fā)電路(111)輸入端，交流調(diào)制信號發(fā)生器(101)產(chǎn)生交流調(diào)制信號，其信號頻率同時調(diào)制MEMS電容電橋(102)和參考觸發(fā)電路(111);在信號通道上，MEMS電容電橋(102)輸出連接下一級的前置放大器(103)的輸入端，前置放大器(103)的輸出連接濾波電路(104)的輸入端，經(jīng)過濾波，濾波電路(104)輸出與交流放大電路(105)的輸入端相接，交流放大電路(105)的輸出與相敏檢測器(106)的一個輸入端相接；在參考通道上,參考觸發(fā)電路(111)的輸出接移相電路(109)的輸入端，移相電路(109)輸出端接方波驅(qū)動電路( 108)的輸入端，方波驅(qū)動電路(108)的輸出接相敏檢測器(106)的另一個輸入端；經(jīng)過相敏檢測 器(106)的相關(guān)性檢測，相敏檢測器(106 )的輸出連接低通濾波器(107 )輸入端，最后低通濾波器(107 )輸出最終的信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是，包括MEMS器件部分和CMOS讀出電路部分，MEMS器件部分包括所述MEMS電容電橋(102) ;CM0S讀出電路部分包括所述前置放大器(103)、濾波電路(104)、交流放大電路(105)、相敏檢測器(106)、低通濾波器(107)、方波驅(qū)動電路(108)、移相電路(109)、參考觸發(fā)電路(111)；通過單片集成技術(shù)將所述MEMS器件部分和CMOS讀出電路部分同時在硅片上實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是所述CMOS讀出電路部分采用單端輸出、單端輸入的結(jié)構(gòu)，或采用雙端輸入和雙端輸出的全差分結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是所述CMOS讀出電路部分通過CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，采用CMOS器件或NMOS管、PMOS管。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是所述MEMS電容電橋(102)包括第一可變電容(117)、第三可變電容(119)、第二可變電容(118)和第四可變電容(120)按順序首尾相接，其中第一可變電容(117)和第二可變電容(118)屬于同種類型電容，第三可變電容(119)和第四可變電容(120)屬于同種類型電容；第一可變電容(117)和第二可變電容(118)能夠由固定容值電容代替，第三可變電容(119)和第四可變電容(120)也能夠由固定容值電容代替。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是，所述相敏檢測器(106)包括第一調(diào)制開關(guān)(112)、第三調(diào)制開關(guān)(114)、第二調(diào)制開關(guān)(113)、第四調(diào)制開關(guān)(115)按順序首尾相接，所述第一調(diào)制開關(guān)(112)兩端為相敏檢測器(106)正端，第二調(diào)制開關(guān)(113)兩端為相敏檢測器(106)負(fù)端；其中第一調(diào)制開關(guān)(112)和第二調(diào)制開關(guān)(113)受相同時鐘CLK調(diào)制，第三調(diào)制開關(guān)(114)和第四調(diào)制開關(guān)(115)受所述時鐘CLK的反向時鐘調(diào)制。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是所述相敏檢測器(106)采用不帶開關(guān)的模擬乘法器。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是所述濾波電路(104)采用低通濾波器或是高通濾波或是帶通濾波器。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是所述參考觸發(fā)電路(111)的輸出端通過倍頻電路(I 10)與移相電路(109)的輸入端相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是所述低通濾波器(107)能夠由無限積分時間積分濾波器(116)所代替。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，該電路包括四個部分MEMS電容橋式電路，信號輸入通道、參考信號輸入通道、相關(guān)器。其中，MEMS電容橋式電路為MEMS器件部分，其余部分為CMOS電路部分。信號通道中有前置放大器、濾波電路、交流放大電路構(gòu)成，。參考通道中，包括觸發(fā)電路、移相電路和方波驅(qū)動電路。最后一個部分是相敏檢測器和低通濾波器。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明通過差分電容電橋的變化，加上頻率調(diào)制，實(shí)現(xiàn)MEMS與CMOS單片集成，同時為了降低MEMS器件的噪聲和影響，使用鎖相技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)⒓纳鷧?shù)等不理想特性減小到最理想的情況，通過濾波和互相關(guān)技術(shù)去掉噪聲的影響。
文檔編號H03F1/26GK102843102SQ201210375929
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者何鑫, 王瑋冰 申請人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心