目前大多数国外MEMS传感器厂家采用开关电容电路作为电容信号的接口。这一电路的特点是精度高、可实现与传感器的高度集成,但电路结构相对复杂,对于工艺精度要求较高。其次是采用振荡法将敏感电容变化转换为频率或周期,电路简单,易于实现,输出的频率信号具有准数字输出的特点,便于测量。本文介绍的电路正是基于这种原理。
电容式传感器是一种广泛应用在各种领域中的检测元件，特别是在微电子机械系统（MEMS）中。这类传感器通过改变电容来响应物理量的变化，如压力、位移或温度。在微电容式传感器的设计和应用中，确保检测电路的稳定性和精度至关重要。本文将讨论一种利用差频电路实现微电容式传感器检测电路的温漂抑制方法。
传统上，许多国外MEMS传感器厂家采用开关电容电路作为电容信号的接口，因为这种电路具有高精度和高度集成的优势。然而，其复杂的电路结构对制造工艺精度有较高的要求。另一种常见方法是利用振荡法，即将敏感电容的变化转换为频率或周期，这种方法电路简单，易于实现，并且输出的频率信号具有准数字输出的特点，便于测量和处理。
本文提出了一种新的检测电路设计，该设计基于振荡法，并在此基础上增加了差频电路。这一设计旨在解决传统振荡电路中输出频率过大以及受电源电压、温度变化和工艺波动影响的问题。具体来说，实验室开发的微电容式传感器检测电路采用了张弛振荡器，然后附加了一个差频电路模块。
振荡器电路是核心部分，它由开启电路、恒流源、CMOS开关、施密特触发器和反相器构成。振荡器的输出频率与敏感电容的变化成反比，从而能够检测传感器电容的变化。然而，原始振荡器的输出频率过高，不便于直接与单片机接口。此外，输出频率仍然受到环境因素如温度变化的影响。
为了解决这些问题，设计中引入了差频电路。差频电路采用了D触发器，它是一种下降沿触发的CMOS主从触发器。敏感电容转换的波形输入D端，参考电容转换的波形输入CK端，输出为两者频率之差。这种设计提高了电路对微小电容变化的灵敏度，并有效抑制了由于温度、电源电压波动导致的性能变化。
差频原理可以通过D触发器的工作方式进行详细解释。当输入信号频率大于时钟频率时，定义两者的周期差为△T。通过巧妙安排D触发器的工作状态，可以在特定时间点捕捉到输入信号与时钟信号的差异，从而计算出稳定的输出频率，这个频率更适应于单片机的读取和处理。
总结来说，本文提出的利用差频电路的微电容式传感器检测电路提供了一种有效的温漂抑制解决方案。通过优化振荡器电路并引入差频技术，不仅降低了输出频率以适应接口需求，还增强了对环境因素变化的抵抗能力，提升了检测电路的稳定性和可靠性。这对于MEMS传感器的应用，尤其是在需要长期稳定监测和高精度测量的场景下，具有重要的实际意义。
