专利名称：一种mems器件动态微弱电容检测电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种MEMS器件动态微弱电容检测电路，属于MEMS器件中的微弱信号 检测领域。
背景技术：
MEMS器件因其具有体积小、寿命长、能耗低、易于集成以及成本低廉等特点，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�。话阄狿F量 级，而由待测物理量引起的电容变化量则更加微�。话阄猣F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 重要的作用。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；( 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。常用的峰值检测方法通常采用峰值检测器，如郭占社、冯舟、郑德智等人的《一种 MEMS器件微弱电容检测电路》(专利号200910083568.幻，其峰值检测采用二极管的正向导 通反向截止特性进行峰值检测，其峰值由于二极管存在导通压降且个体存在较大差异使得 输出存在一定的误差；放电单元采用一电阻放电，在充电和放电过程中均有放电现象，使得 峰值保持不能高精度保持原有峰值点。另一种峰值检测方式采用频率差法，如北野麻世、鹫 见秀司、森边刚的《电容差检测电路和微机电系统传感器》(专利号200510066344)，将电容值变化转换成频率的变化来进行检测待检测电容与参考电容之间的差值。该测量方法仅适 应准静态方式测量，难以满足高频交变微弱电容测量。在现有微弱电容测试中，通常采用相 关检测方式，采用模拟或者数字乘法器实现信号解调，由于现有乘法器性能难以达到设计 的精度，在一定程度上制约着这种测量方法的测试精度的提高。根据上述说明，传统测试方法需要专门提供高精度昂贵信号发生器、复杂的信号 处理电路，且不适应MEMS器件高频动态电容的精度测量。
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 动态微弱电容检测电路，为谐振电容式MEMS器件部分性能低成本便携测试提供了解决方 案，并解决了传统测量仪器不能高精度测试高频动态电容以及静态电容测量原理结构复杂 等问题。本发明的技术解决方案一种MEMS器件动态微弱电容检测电路，其特征在于包 括驱动信号发生电路(1)、C/V转换单元( 、一级采样保持单元C3)、二级采样保持单元(4) 和信号处理单元(5) ；C/V转换单元( 包括C/V转换器和仪表放大器0 ；—级采 样保持单元C3)包括一级采样保持电路(31)、90°相移网络(3 和一级采样保持电压比 较器(3 ；二级采样保持单元(4)包括二级采样保持电路(41)、反相器0 和二级采样保 持电压比较器G3)；驱动信号发生电路(1)自激振荡产生幅度频率稳定的正弦波信号，为 C/V转换单元( 提供检测激励信号，输出信号接至C/V转换电路的输入端；C/V转换 电路依据微分原理将微弱电容变化量转换成比例电压量，并经过仪表放大器02)输 出幅值与参考电容和待测电容值差成正比的正弦波信号，该正弦波信号输入至一级采样保 持单元(3)的输入端；一级采样保持单元C3)将输入的正弦波一路输入一级采样保持电路 (31)，另一路输入至90°移相网络(3 ，90°移相网络(3 对于输入信号进行90°移相后 输入至一级采样保持电压比较器(3 正输入端，当一级采样保持电路(31)输入信号达到 正峰值点时，输入至一级采样保持电压比较器(3 的移相后信号过零点，此时一级采样保 持电压比较器(3 过零点触发，为一级采样保持电路(31)提供采样保持触发信号，一级 采样保持电路(31)将其输入信号进行采样保持；同样，当一级采样保持电路(31)输入信号 到达负峰值点时，一级采样保持电压比较器(3 过零点触发为一级采样保持电路(31)提 供跟随触发信号，一级采样保持电路(31)此时跟随输入信号，一级采样保持电路(31)输出 信号至二级采样保持电路Gl)输入端；二级采样保持单元(4)中反相器0 将90°移相 网络(3 的输出信号再进行反相为二级采样保持电压比较器提供电压比较信号，当 一级采样输出信号处在保持阶段时，二级采样保持电路Gl)对输入信号进行跟随，当一级 采样输出信号处在跟随阶段时，二级采样保持电路Gl)对输入信号进行采样保持，这样， 二级采样保持单元(4)输出信号为准直流信号，其电压值与待测电容和参考电容值之差成 正比，并输入至信号处理单元( 输入端；信号输出单元( 对信号进行低通滤波和平滑处 理，输出与待测电容变化量成正比的直流信号。本发明的原理一种MEMS器件动态微弱电容检测电路，是基于交流法设计得到 的。驱动信号发生器基于运算放大器负输入端的电阻负反馈网络与正输入端的串并联RC 网络的正反�。茸远榷ㄆ德视蒖C决定的后级载波信号。C/V转换单元利用微分电路的原理，在同一高频正弦激励源的作用下，其输出信号为峰值与待测微弱电容和补偿 电容之差成比例的正弦信号。由于补偿电容与待测微弱电容的本体电容采用同种材料，其 性能相同，采用仪表放大器差分结构，将外界环境对于待测电容的影响抵消，从而有效地降 低了由元器件引入的噪声。一级采样保持电路将C/V转换单元输出正弦信号的正峰值采用 低泄露、高保真的跨导运算放大器进行采样保持半个周期。移相单元将输入信号进行90° 移相，输入高速电压比较器的输入端，在过零点触发，为采样保持单元提供保持跟随触发信 号。二级采样保持电路在一级保持结束前进行采样保持其峰值信号，在下一次采样保持后 进行跟随，这样就能进行保证峰值的直流输出和峰值过度的平稳性。当待检测电容为固定 电容时，其输出为直流信号；当待检测电容为交变电容时，其输出为跟随电容变化的阶梯波 组成的正弦波。信号处理单元对前一级输出信号进行低通滤波和输出信号的平滑处理。本发明与现有技术相比的优点(1)本发明采用移相电路，对待检测信号进行90°移相后通过一级采样保持电压 比较器检测其过峰值点时刻并触发一级采样保持电路开始进行采样保持，与频率无关，所 以能够自适应载波信号频率变化，降低了测试系统对于信号源的性能要求，利用本发明中 的驱动信号发生器即可代替高精度信号发生器。(2)本发明实现了利用由高速电压比较电路和跨导运算放大器组成的高速低失真 采样保持电路，能够定位并且采样保持待检测信号正峰值点，每一个周期仅在正峰值点进 行一次保持采样，从而突破了数字电路的采样定律的限制，避免了使用现在较难实现的高 速高精度AD采集系统，从而实现了数字电路难以实现的高速高精度采样。(3)本发明实现了静态电容和动态电容的兼容测量，通过C/V转换单元将低频电 容变化转换成对应的高频电压信号，将电容变化加载到正弦载波信号，通过后续的信号解 调，得出动态电容变化值，从而解决了现有仪器仪表只能测量静态电容的缺陷。
图1为本发明的结构框图；图2为本发明驱动信号发生电路原理图；图3为本发明C/V转换单元原理图；图4为本发明一级采样保持单元原理图；图5为本发明二级采样保持单元原理图；图6为本发明信号处理单元电路原理图。
具体实施例方式如图1所示，本发明由驱动信号发生电路1、C/V转换单元2、一级采样保持单元3、 二级采样保持单元4和信号处理单元5组成；C/V转换单元2包括C/V转换器21和仪表放 大器22 ；—级采样保持单元3包括一级采样保持电路31、90°相移网络32和一级采样保持 电压比较器33 ；二级采样保持单元4包括二级采样保持电路41、反相器42和二级采样保持 电压比较器43。驱动信号发生电路1自激振荡产生频率为200KHZ，幅度为正负8V的正弦激励信 号。该正弦激励信号加载到C/ν转换电路21输入端，在正弦激励载波信号作用下，C/V转换电路21分别将参考电容和待测电容信号转换成电压信号并经过仪表放大器22进行减法运 算和比例放大。在实际检测前，调节参考电容值使仪表放大器22输出为0V，抵消待测电容 的本体电容，既仪表放大器输出只与待测电容的变化量相关且成正比例关系。经仪表放大 器22后的信号输入至一级采样保持电路31的输入端。一级采样保持电路31将仪表放大 器22输出正弦信号峰值点进行采样并保持半个周期。90°移相网络32与一级采样保持电 压比较器33组成采样保持触发信号，为一级采样保持电路31提供采样保持跟随触发信号。 在实际检测中，并不严格要求采样保持信号为峰值点，采用对待检测信号进行固定相移，能 够保持电压始终与峰值点电压为常数比例关系。二级采样保持电路41将一级采样保持电 路输出峰值信号进行采样保持，反相器42将90°移相网络32输出信号在进行反相后，再 输入至二级采样保持电压比较器43产生二级采样保持电路41的采样保持跟随信号，此信 号与一级采样保持电压比较器33产生的采样保持跟随信号逻辑相反，从而实现了对一级 采样保持电路31输出信号的保持电压进一步保持和跟随，实现了准直流输出。该直流信号 输入至信号处理单元5进行低通滤波和平滑处理，输出与待测电容变化量成正比的直流信 号。如图2所示，所述驱动信号发生电路1由串并联的RC网络、反馈运算放大器15、负 反馈网络及比例放大电路组成；串并联RC网络由电容12、11组成的并联网络与电容13、电 阻14组成的串联网络串联组成，其共同决定信号发生电路1的振荡频率，电容12、电阻11 组成的并联网络与电容13、电阻14组成串联网络的串并联连接点与反馈运算放大器15正 输入端连接；负反馈网络由增益电阻16和自动调节增益电阻网络串联组成，自动调节增益 电阻网络由增益电阻112、N沟道JFET管110串联后再与增益电阻111并联组成，钳位二极 管17与电解电容19、放电电阻18组成的并联网络串联形成钳位电路，使振荡电路增益处于 稳定状态，从而实现了信号发生器的稳幅输出；比例放大电路由两个比例电阻113、114和 比例放大器115组成，比例电阻113 —端接反馈运算放大器15的输出端，一端接至比例放 大器115的负输入端，与并联在比例放大器115负输入端与输出端的比例电阻114组成比 例放大网络，实现信号发生器的输出信号幅度调节。在实际中，选择两个容值一致的电容，然后通过将电阻11、14分别用可调电阻代 替，进行微调使得输出波形不出现失真。负反馈网络由增益电阻16和自动调节增益电阻网 络串联组成；自动调节增益电阻网络由增益电阻112、N沟道JFET管110串联后再与增益 电阻111并联组成，其阻值大小跟随N沟道JFET管110的导通程度而变化；当上电后，电解 电容19仍然没有放电时，JFET管110栅极电压接近0V，沟道电阻较低，此时电阻16阻值大 于自动调节增益电阻网络阻值的两倍，增益大于1，信号幅度不断增大；随着电解电容19放 电，JFET管110栅极电压不断升高，当自动调节增益电阻网络阻值大于电阻16阻值一半时， 增益小于1，信号幅度不断缩小。这样栅极电压被钳位二极管17与电解电容、放电电阻18 组成的并联网络串联形成钳位电路钳位在一定值，使得增益为1，实现信号稳幅输出。比例 放大电路由比例电阻113、比例电阻114和比例放大器115组成，通过调节比例电阻114与 比例电阻113的比值实现信号发生电路的输出信号幅度调节。输出端子10接至输入端子 20。如图3所示，C/V转换单元由两路微分电路、仪表放大器28和反相比例放大电路组 成；电阻23、参考电容M组成参考微分电路，电阻沈、待测电容25组成待测微分电路。在实际选择中，参考电容选择应与待测电容性能参数相同，通过减法原理实现误差的相互抵 消。两微分电路分别输入至仪表放大器观的正负输入端，利用仪表放大器内部高对称性减 法电路实现噪声的大大降低和环境影响的消除。并通过调节比例电阻27，调节输入电压差 的放大倍数，实现微弱信号放大到可直接测量的电压信号的转换。仪表放大器观输出信号 输入至反相比例放大电路，调节比例电阻211、比例电阻210的比值与运算放大器212 —起 实现对输入信号的反相比例放大。如图4所示，一级采样保持单元3由一级采样保持电路31、90°移相网络32及一 级采样保持电压比较器33组成；90°移相网络32将C/V转换单元2输出信号进行90°移 相后输入至一级采样保持电压比较器33正比较输入端，与OV比较，实现过零检测，为一级 采样保持电路31提供采样保持跟随的触发信号，实现对C/V转换单元2输出信号的正峰值 点采样保持。如图4所示，一级采样保持电路31由跨导运算放大器38、充电电容310、放电电阻 311、两个反馈电阻35、36、两个输入电阻34、37及三个限流电阻39、312、313组成；跨导运 算放大器38能够低失真的保持输入信号，实现输入信号的采样保持功能，当运算放大器38 的HC信号端电压为高电平时，跨导运算放大器38将输入端信号进行快速采样，输出端一直 输出采样点的电压值；当HC信号端电压为低电平时，跨导运算放大器38输出端电压跟随输 入端信号，实现跟随功能。充电电容310接至跨导运算放大器38的Ch信号端与并联在跨 导运算放大器38的Ch、B信号端的放电电阻311组成充放电网络；两个反馈电阻35、36串 联后一端与跨导运算放大器38信号端E连接而另一端接地，两个反馈电阻35、36连接点接 至跨导运算放大器38的S/H负输入信号端；输入信号通过端子30经输入电阻37输入至 跨导运算放大器38的S/H正输入信号端，同时经另一个输入电阻34接地；一级采样保持电 压比较器316输出信号经一个限流电阻39接至跨导运算放大器采样跟随控制端，为跨导运 算放大器38提供采样跟随触发信号；输出信号经另一限流电阻312输出至输出端子314输 出ο如图4所示，90°移相网络32由两个反馈电阻318、321、放电电阻319、移相电容 320和运算放大器317组成。反馈电阻321和移相电容320 —端连接后接至输入端子30， 而一个反馈电阻321的另一端接至运算放大器317的负输入端，同时移相电容320的另一 端接至运算放大器317的正输入端；另一反馈电阻318并联至运算放大器317的负输入端 与输出端，与前一个反馈电阻321组成反馈网络；放电电阻319—端接至运算放大器317的 正输入端而另一端接地，与移相电容320组成移相网络，移相网络中电容320和电阻319不 能实现精确配置，从而不能精确实现峰值点的采样，但当相移固定，其保持点电压与峰值点 电压成常系数比例关系，因此实际选择电容320和电阻319时允许存在一定误差；原始输入 信号经过90°移后，与OV电压进行比较，输出过零触发电平，为一级采样保持电路31提供 采样保持触发信号。移相网络将输入端子30输入信号进行90°移相后输入至一级采样保 持电压比较器316，产生过零点触发信号。如图5所示，二级采样保持电路41由跨导运算放大器49、充电电容47、放电电阻 46、两个反馈电阻410、411、两个输入电阻412、413、三个限流电阻44、45、48 ；跨导运算放 大器49能够低失真的保持输入信号，实现输入信号的采样保持功能，当跨导运算放大器49 的HC信号端电压为高电平时，跨导运算放大器49将输入端信号进行快速采样，并输出至输出端；当HC信号端电压为低电平时，跨导运算放大器49输出端电压跟随输入端信号，实现 跟随功能。充电电容47接至跨导运算放大器49的Ch信号端，与并联在跨导运算放大器49 的Ch和B信号端的放电电阻46组成充放电网络；两个反馈电阻410、411串联后一端与跨 导运算放大器49信号端E连接而另一端接地，两个反馈电阻410、411连接后接至跨导运算 放大器49的S/H负输入信号端；输入信号通过输入端子414经输入电阻412输入至跨导运 算放大器49的S/H正输入信号端，同时经另一个输入电阻413接地；一级采样保持电压比 较器415输出信号经一个限流电阻48接至跨导运算放大器49采样跟随控制端，为跨导运 算放大器49提供采样跟随触发信号；输出信号经另一个限流电阻45输出至输出端子40输 出；-5V电源经过限流电阻44为跨导运算放大器49提供负电源。如图5所示，反相器42由运算放大器418和两个反相比例电阻419、420组成；输 入信号经反相比例电阻420输入至运算放大器418负输入端，反相比例电阻419与运算放 大器418负输入端和输出端并联，同运算放大器418组成反相比例积分放大电路，反相比例 电阻419与反相比例电阻420比值决定放大增益，实现对输入信号幅度的反相比例放大操 作。反相器42将90°移相网络32输出信号再进行反相输入至二级采样保持电压比较器 43正比较输入端，与经过分压电路得到的电压值进行比较，从而得到与一级采样保持电压 比较器33输出逻辑相反的采样保持跟随控制信号。输出过零触发电平，为一级采样保持电 路31提供采样保持触发信号。如图6所示，信号处理单元5由二阶有源低通滤波器和正比例放大电路组成。二阶 有源滤波器由运算放大器M、两个滤波电阻51、52、两个滤波电容53、57及两个反相比例电 阻55、56组成；输入端子50与二级采样保持单元4中的输出端子40连接，这样二级采样保 持电路41输出的直流信号输入至二阶低通有源滤波器。两个滤波电阻51、52串联后接至 运算放大器M的正输入端，滤波电容53 —端接运算放大器M的正输入端而另一端接地， 滤波电容57则一端接运算放大器M输出端，另一端接至两滤波电阻51、52的接点，这样组 成了二阶低通滤波器，实现了对于输入信号低通滤波，得到较为平滑的直流信号。截止频率 要根据载波频率进行选�。贝觳獾缛菸蔡缛菔苯刂蛊德恃≡裎甘兆燃纯桑坏� 待测电容为交变电容时，截止频率的选取应根据动态电容的交变频率。反相比例电阻阳、56 与运算放大器M组成反相比例放大电路，对输出信号进行幅度调整。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
权利要求
1.一种MEMS器件动态微弱电容检测电路，其特征在于包括驱动信号发生电路(1)、 C/V转换单元O)、一级采样保持单元(3)、二级采样保持单元(4)和信号处理单元(5) ；C/ V转换单元( 包括C/V转换器和仪表放大器0 ；—级采样保持单元C3)包括一级 采样保持电路(31)、90°相移网络(3 和一级采样保持电压比较器(3 ；二级采样保持单 元(4)包括二级采样保持电路(41)、反相器0 和二级采样保持电压比较器；驱动信 号发生电路(1)自激振荡产生幅度频率稳定的正弦波信号，为C/V转换单元( 提供检测 激励信号，输出信号接至C/V转换电路的输入端；C/V转换电路依据微分原理将 微弱电容变化量转换成比例电压量，并经过仪表放大器0 输出幅值与参考电容和待测 电容值差成正比的正弦波信号，该正弦波信号输入至一级采样保持单元(3)的输入端；一 级采样保持单元C3)将输入的正弦波一路输入一级采样保持电路(31)，另一路输入至90° 移相网络(3 ，90°移相网络(3 对于输入信号进行90°移相后输入至一级采样保持电 压比较器(3 正输入端，当一级采样保持电路(31)输入信号达到正峰值点时，输入至一级 采样保持电压比较器(3 的移相后信号过零点，此时一级采样保持电压比较器(3 过零 点触发，为一级采样保持电路(31)提供采样保持触发信号，一级采样保持电路(31)将其输 入信号进行采样保持；同样，当一级采样保持电路(31)输入信号到达负峰值点时，一级采 样保持电压比较器(3 过零点触发为一级采样保持电路(31)提供跟随触发信号，一级采 样保持电路(31)此时跟随输入信号，一级采样保持电路(31)输出信号至二级采样保持电 路Gl)输入端；二级采样保持单元中反相器0 将90°移相网络(3 的输出信号 再进行反相为二级采样保持电压比较器^幻提供电压比较信号，当一级采样输出信号处 在保持阶段时，二级采样保持电路Gl)对输入信号进行跟随，当一级采样输出信号处在跟 随阶段时，二级采样保持电路Gl)对输入信号进行采样保持，这样，二级采样保持单元(4) 输出信号为准直流信号，其电压值与待测电容和参考电容值之差成正比，并输入至信号处 理单元( 输入端；信号输出单元( 对信号进行低通滤波和平滑处理，输出与待测电容变 化量成正比的直流信号。
2.根据权利要求1所述的MEMS器件动态微弱电容检测电路，其特征在于所述驱动 信号发生电路⑴由串并联的RC网络、反馈运算放大器(15)、负反馈网络及比例放大电路 组成；串并联RC网络由电容(12)、电阻(11)组成的并联网络与另一电容(13)、另一电阻 (14)组成的串联网络串联组成，串并联RC网络共同决定信号发生电路(1)的振荡频率，电 容(12)、电阻(11)组成的并联网络与另一电容(13)、另一电阻(14)组成串联网络的串并 联连接点与反馈运算放大器(15)正输入端连接；负反馈网络由增益电阻(16)和自动调节 增益电阻网络串联组成，自动调节增益电阻网络由增益电阻(112)、N沟道JFET管(110)串 联后再与增益电阻(111)并联组成，钳位二极管(17)与电解电容(19)、放电电阻(18)组 成的并联网络串联形成钳位电路，使振荡电路增益处于稳定状态，从而实现信号发生器稳 幅输出；比例放大电路由两个比例电阻(113、114)和比例放大器(115)组成，一个比例电阻 (113) 一端接反馈运算放大器(1 的输出端，一端接至比例放大器(11 的负输入端，与并 联在比例放大器(115)负输入端与输出端的另一比例电阻(114)组成比例放大网络，实现 信号发生器的输出信号幅度调节。
3.根据权利要求1所述的MEMS器件动态微弱电容检测电路，其特征在于所述一级 采样保持电路(31)由跨导运算放大器(38)、充电电容(310)、放电电阻(311)、两个反馈电阻(35、36)、两个输入电阻(34、37)及三个限流电阻(39、312、313)组成；跨导运算放大器 (38)实现输入信号的采样保持功能；充电电容(310)接至跨导运算放大器(38)的Ch信号 端与并联在跨导运算放大器(38)的Ch、B信号端的放电电阻(311)组成充放电网络；两个 反馈电阻(35、36)串联后一端与跨导运算放大器(38)信号端E连接而另一端接地，两个反 馈电阻(35、36)连接点接至跨导运算放大器(38)的S/H负输入信号端；输入信号通过端子 (30)经一个输入电阻(37)输入至跨导运算放大器(38)的S/H正输入信号端，同时经另一 个输入电阻(34)接地；一级采样保持电压比较器(316)输出信号经一个限流电阻(39)接 至跨导运算放大器采样跟随控制端，为跨导运算放大器(38)提供采样跟随触发信号；输出 信号经另一限流电阻(312)输出至输出端输出；-5V电源经过限流电阻(313)为跨导运算 放大器(38)提供负电源。
4.根据权利要求1所述的MEMS器件动态微弱电容检测电路，其特征在于所述90° 移相网络(32)由两个反馈电阻(318、321)、放电电阻(319)、移相电容(320)和运算放大器 (317)组成；一个反馈电阻(321)和移相电容(320) —端连接后接至输入端子(30)，而一个 反馈电阻(321)的另一端接至运算放大器(317)的负输入端，同时移相电容(320)的另一 端接至运算放大器(317)的正输入端，另一反馈电阻(318)并联至运算放大器(317)的负 输入端与输出端，与前一个反馈电阻(321)组成反馈网络；放电电阻(319) —端接至运算放 大器(317)的正输入端而另一端接地，与移相电容(320)组成移相网络；移相网络将输入端 子(30)输入信号进行90°移相后输入至一级采样保持电压比较器(316)，产生过零点触发 信号。
5.根据权利要求1所述的MEMS器件动态微弱电容检测电路，其特征在于所述二级 采样保持电路Gl)由跨导运算放大器(49)、充电电容(47)、放电电阻(46)、两个反馈电阻 (410、411)、两个输入电阻(412、413)、三个限流电阻(44,45,48)；跨导运算放大器(49)实 现输入信号的采样保持功能；充电电容G7)接至跨导运算放大器G9)的Ch信号端，与并 联在跨导运算放大器G9)Ch和B信号端的放电电阻06)组成充放电网络；两个反馈电阻 (410,411)串联后一端与跨导运算放大器G9)信号端E连接而另一端接地，两个反馈电阻 (410,411)连接点接至跨导运算放大器G9)的S/H负输入信号端；输入信号经一个输入电 阻(412)输入至跨导运算放大器G9)的S/H正输入信号端，同时经另一个输入电阻(413) 接地；一级采样保持电压比较器(41 输出信号经一个限流电阻G8)接至跨导运算放大器 (49)采样跟随控制端，为跨导运算放大器G9)提供采样跟随触发信号；输出信号经另一个 限流电阻0 输出；-5V电源经过限流电阻04)为跨导运算放大器G9)提供负电源。
6.根据权利要求1所述的MEMS器件动态微弱电容检测电路，其特征在于所述反相器 (42)由运算放大器(418)和两个反相比例电阻019、420)组成；输入信号经反相比例电阻 (420)输入至运算放大器(418)负输入端，反相比例电阻(419)与运算放大器(418)负输入 端和输出端并联，同运算放大器(418)组成反相比例积分放大电路，反相比例电阻(419)与 反相比例电阻G20)比值决定放大增益，实现对输入信号幅度的反相比例放大操作。
7.根据权利要求1所述的MEMS器件动态微弱电容检测电路，其特征在于所述信号处 理单元(5)由二阶有源低通滤波器和正比例放大电路组成；二阶有源滤波器由运算放大器 64)、两个滤波电阻(51、52)、两个滤波电容(53、57)及两个反相比例电阻(55、56)组成； 二级采样保持电路Gl)输出的直流信号输入至二阶低通有源滤波器，两个滤波电阻(51、52)串联后接至运算放大器(54)的正输入端，滤波电容(5 —端接运算放大器(54)的正 输入端而另一端接地，滤波电容(57)则一端接运算放大器(54)的输出端，另一端接至两滤 波电阻(51、52)的接点，实现了对于输入信号低通滤波，得到较为平滑的直流信号；两个反 相比例电阻(55、56)与运算放大器(54)组成反相比例放大电路，对输出信号进行幅度调 整 ο
全文摘要
一种MEMS器件动态微弱电容检测电路，主要应用于电容式MEMS器件中动态微弱电容的变化检测，包括驱动信号发生电路、C/V转换单元、一级采样保持单元、二级采样保持单元和信号处理单元。驱动信号发生电路自激振荡产生稳幅稳频的正弦波信号，为C/V转换单元提供检测激励信号。C/V转换单元将微弱电容变化量转换成电压量，并经过仪表放大器输出可供后续一级采样保持电路处理的正弦波信号。一级采样保持单元对输入的正弦波进行正峰值点检测，当检测到正峰值点时输出信号保持正峰值点电压并持续半个正弦波周期不变，后半个周期则跟随输入信号变化，其输出信号作为二级采样保持单元待检测信号。
文档编号G01R27/26GK102109556SQ20101057161
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者曹乐, 李晶, 樊尚春, 郭占社 申请人:北京航空航天大学
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