差分型MEMS电容薄膜真空计检测电路设计与性能分析

摘要

[目的]针对微机电系统(MEMS)电容薄膜真空计(capacitance diaphragm gauge, CDG)检测电路的测量精度会受环境温度和寄生电容影响的问题，基于差分型MEMS CDG设计一种高性能差分测量集成电路，以提高CDG测量的稳定性和精度.[方法]一方面，为了消除传感器的温度漂移问题，采用差分压力结构的MEMS CDG.另一方面，检测电路基于开关电容原理，采用全差分放大电路、时钟模块和采样保持电路，构建差分电容检测系统，以此利用全差分放大+采样保持的相关双采样技术抑制失调电压、温度漂移和寄生电容干扰.基于0.18μm互补金属氯化物半导体(CMOS)工艺生产电容电压转换芯片，并通过实验测试验证.[结果]该电路的差分测量范围为±20 pF,分辨率为0.136 7 V/pF,满量程非线性误差为±0.2%.此外，在温度实验中，检测电路输出电压最大标准差为0.002 3 V.最终该电路芯片的功耗为2.5 mW,版图面积为0.87 mm×0.87 mm.[结论]所设计的差分检测电路能有效降低寄生电容和温度的影响，显著提升测量稳定性与精度，为微型化、高精度真空计量提供可行解决方案.

关键词

微机电系统(MEMS) / 电容真空计(CDG) / 集成电路 / 全差分放大 / 采样保持

基金资助

国家市场监督管理总局科技计划项目(2023MK135)