一种高精度硅微谐振式压力传感器接口电路的制作方法
【专利摘要】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vi，同时驱动信号发生器2产生驱动信号vd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)；高通滤波器7滤除耦合低频信号，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，仪表放大器10将差分有用信号转成单端信号并放大。
【专利说明】一种高精度硅微谐振式压力传感器接口电路
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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】
[0003]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。
[0004]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I在微谐振器4上加高频载波Vi，同时驱动信号发生器2产生驱动信号Vd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) = Λ OvfRC1 vd，其中Ctl为谐振器与检测端的固定电容，Δ C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RC1Vd，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。
[0005]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:
[0006]步骤1:驱动信号信号发生器2与载波发生器分别I作用在驱动端3和谐振器4上，
[0007]驱动谐振器振动，检测端5输出电流信号i (t);[0008]步骤2:x (t)经过跨阻放大器6输出电压信号u⑴；
[0009]步骤3:u(t)经过高通滤波器7输出信号u' (t)；
[0010]步骤4:11'⑴经过解调器8输出信号h(t);
[0011]步骤5:h(t)经过低通滤波器9输出信号h' (t)；
[0012]步骤6:两路差分信号h' (t)经过仪表放大器10输出v(t)；
[0013]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]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。
[0015]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】
[0016]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IMHz，幅值IV，驱动信号为5KHz正弦电压信号，幅值IOOmV,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lpF，驱动端与检测端耦合电容为2pF。
`[0017]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:
[0018]步骤一:频率5KHz，幅值IOOmV的驱动电压信号2与频率IMHz，幅值IV的载波信号I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i⑴；
[0019]步骤二:i (t)经过跨阻放大器6输出电压信号u(t) = 0.01sin(2 π *5000t) *sin(
231 *106t)+10sin(2 3T *106t)+lsin(2 π.5000t)V ;其中 0.01sin(2 π *5000t) *sin(2 3i *106t)V为包含有用交变电容信号的已调制信号，10--η(2π.106t)V为谐振器与检测端固定电容引起的载波耦合信号，Isin(2 Ji.5000t)V为检测端与驱动端耦合电容引起的低频耦合信号;
[0020]步骤三:u (t)经过高通滤波器7输出信号u' (t) = 0.01sin (2 n *5000t) *sin (2.106t)+10sin(2 3i.106t)V ;其中低频耦合信号 Isin (2 π.5000t)V 被滤除；
[0021]步骤四(t)经过解调器8 输出信号 h(t) = Ui (t) I = 0.01sin(2 31 *500Ot).sin (2 3i.106t)+10sin(2 π.106t) V ；
[0022]步骤五:h(t)经过低通滤波器9输出信号h' (t) = 0.01sin(2 31.5000t)V；
[0023]步骤六:两路差分信号V (t)经过仪表放大器10输出V (t) =50.[0.01sin (2? 5000t)-(-l).0.01sin(2 π.5000t) ] =Isin(2 π.5000t)V。
【权利要求】
1.一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(I)、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(I)在微谐振器(4)上加高频载波Vi，同时驱动信号发生器(2)产生驱动信号Vd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) = Λ C) Vi+RClVd，其中C0为谐振器与检测端的固定电容，Δ C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RC1 Vd，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。
【文档编号】G01L9/00GK103592061SQ201310291280
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年7月12日 优先权日:2013年7月12日
【发明者】苑伟政, 孙小东, 任森, 王伟康 申请人:西北工业大学