低雜訊微小電荷量測電路應用於微機電電容感測器

A Low-Noise CMOS Interface Circuit for Capacitive MEMS Sensors

黃明前(Ming-Chien Huang)

指導教授 ： 周懷樸

國立清華大學/原子科學院/工程與系統科學系/碩士(2007年)

摘要

隨著微機電技術不斷地進步，越小越新穎的感測元件不斷出現。然而，將如此微小的感測元件與積體電路結合在一起，勢必會是一個很大的挑戰。
電容感測元件的變化來自於許多物理量的改變，例如:溼度、壓力、加速度，藉由這些物理量的改變，我們可以利用積體電路放大電容感測元件變化的訊號，如此可設計各種感測IC。電容感測IC不僅可以用來感測溼度、壓力、加速度，更前瞻的應用還包跨了生物醫學、接觸與非接觸型開關、指紋辨識器、及各式各樣的感測商品。
在微機電的應用中，因為電容元件具有低功率，結構簡單且比壓阻、壓電材料有著更小的溫度係數，因此廣泛的被應用於感測電路上。電容感測元件產生的機械雜訊大約為52μg/√Hz，因此在設計電容感測電路上，以將電路上所產生的雜訊降至52μg/√Hz以下為目標。現今的電容感測電路大都以解析度(10μg/√Hz)為目標，換算成電容的解析度約為0.01aF/√Hz。如此解析度的加速度電容感測電路可應用於航海上的全球定位系統和虛擬世界。本論文主旨為設計靈敏度約為 300mV/1fF ，解析度0.01aF/√Hz的微電容感測電路。我們利用二次取樣與截波穩定的技巧，將運算放大器的偏移電壓與低頻雜訊降低，同時補償運算放大器的有限增益。量測結果顯示第一級利用二次取樣的電容轉電壓轉換器，靈敏度為39.6mV/1fF, 解析度0.0025aF/√Hz、6.25μg/√Hz。整體為電容感測器，靈敏度為278mV/1fF, 解析度0.277aF/√Hz、692.5μg/√Hz。此低雜訊微小電荷量測電路由國家晶片系統設計中心(CIC)委託TSMC製作，製程為TSMC 0.35μm Mixed-Signal 2P4M Polycide 3.3/5V。

關鍵字

低雜訊 ； 微電容感測器 ； 微機電

參考文獻

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