基于MS3110的电容式MEMS加速度计微电容读出电路设计(3)
(2)通用电容检测集成电路
由于将微传感器与检测电路集成在同一块衬底上受到传感器与标准CMOS集成电路工艺兼容性的限制，因此许多研究人员正在研究通用电容检测电路，采用传感器与检测电路芯片二次集成的方案解决工艺兼容与性能间的折衷问题。这种方式以提高检测电路的通用性为目标，采用各种可编程方式，减少寄生电容对检测电路性能的影响，提高检测电路对具有不同传感电容值的传感器的适用性，力图用同一片集成电路实现对不同种类微传感器的电容信号进行精确读取。例如，德国GEMAC公司开发的HT133[10]；德国 Analog Microelectronics GmbH（简称德国 AMG 公司）开发的CAV404、CAV41和 CAV424系列集成电路，用于电容信号的转换、放大以及标准化输出[11]；Irvine-Micro sensors公司的通用电容检测芯片MS3110[6]。
上述两种解决途径各有优缺点。采用第一种解决方式，电容检测电路的干扰因素减少，但由于涉及MEMS传感器结构设计与电容读出电路设计，且两部分在同一块芯片上实现，因此对设计及加工制造的要求极高。第二种解决方式只将检测电路制作成芯片，芯片可以用于不同种类传感器的检测，传感芯片设计难度降低，芯片的通用性加大，但是体积增大，干扰增强。
1.2主要研究内容
MS3110是具有极低噪声的通用电容读出接口芯片，采用CMOS工艺，功耗低，工作电压为 + 5 V，分辨率高达4aF,采样频率为0.5～8kHz，其积分电容值、放大增益、补偿电容、带宽均可以通过编程设置。MS3110能适用于高性能要求的电容式传感器，既可以测量单电容的变化，也可以测量差动电容的变化，在整个电容测量范围内线性输出电压信号。其C/V转换时间短，且为固定值，进行转换结果的读取，提高了数据的精确度[12,14]。
MS3110在国内有很多应用实例。清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室基于MS3110设计了一种MEMS力平衡闭环加速度计，取得很好的闭环稳定性[13]；国防科学技术大学利用MS3110设计了某插齿式电容微加速度计的信号检测电路[15]；中北大学将其应用在水银微电容式加速度计的检测电路中，用于检测在离心机的离心力作用下产生的加速度，电路稳定性好，抗干扰能力强[16]；中北大学还设计了基于MS3110的电容式电子测压器，稳定性好[17]。
由于MS3110在电容测量范围、带宽等方面能满足对自行设计的电容式MEMS加速度计的测量需求，因此采用该芯片设计电容式MEMS加速度计的微电容读出电路。
毕业设计的主要任务是基于MS3110设计一个电容式MEMS加速度计微小电容检测电路。由于MS3110只能实现电容到电压的转换（C/V转换），为便于对MEMS电容式传感器开展设计及应用研究，设计的基于MS3110的电容式MEMS加速度计微电容读出电路还包括数据采集系统及上位机。一方面，数据采集系统对MS3110输出的电压进行采集，同时将采集到的数据送往上位机，由上位机对采集到的数据进行进一步的分析。另一方面，由于MS3110是可编程的，编程时可以在上位机上进行操作。然后由上位机经采集系统中的微控制器而实现对MS3110的编程。
电路主要组成部分有MS3110、ADC、微控制器。由MS3110进行电容式MEMS加速度计微小电容信号检测，MS3110输出的电压信号由ADC完成模/数转换，A/D转换的控制、转换结果的读取及对MS3110的编程等由微控制器实现。微控制器将转换结果通过串口输出至上位机，由上位机进行相应的数据处理、显示及存储。
通过毕业设计实现的基于MS3110的电容式MEMS加速度计微小电容检测系统如图1-1所示：
图1-1 基于MS3110的电容式MEMS加速度计微小电容检测系统结构