MEMS电容薄膜真空计微电容测量研究进展

韩晓东，李得天，成永军，孙雯君，李 刚，王呈祥

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

0 引言

MEMS传感器具有小型化、低成本、高性能、易与CMOS集成电路兼容等特点[1]。在不同类型的MEMS传感器中，最普遍、应用最广泛的是压阻式和电容式传感器。与压阻式传感器相比，电容式传感器具有灵敏度高、温度系数低、功耗低等优点[2]。MEMS电容薄膜真空计作为MEMS电容式传感器的一种，能够满足深空探测、空气动力学研究、临近空间探索等领域对真空测量仪器测量准确度高、体积小、质量轻、功耗低的应用需求，具有广泛的应用前景[3]。

MEMS电容薄膜真空计包含真空规管和测量电路两个部分[4]。其中，真空规管将真空度转化成电容量，测量电路对电容量进行处理得到真空度的值[5]。MEMS电容薄膜真空规管初始电容量的范围为几到几十皮法，其电容变化量为几飞法甚至更小。MEMS电容薄膜真空规管的敏感电容具有不同结构，包括单侧电极结构、双侧电极结构以及静电力平衡结构，不同结构的敏感电容其电容变化量不同。另外，MEMS电容薄膜真空计要求测量电路功耗低、易集成，考虑到寄生电容和电磁干扰及温度的影响，精确测量MEMS电容薄膜真空规管的微小电容是一个难题。针对不同结构的敏感电容，提出了多种微小电容测量方法。

1 单侧电极微小电容测量

敏感电容为单侧电极的MEMS电容薄膜真空规管结构简单，在MEMS制造及封装工艺下易于实现[6-7]。如图1所示，感压薄膜上的电极与硅基底上的电极组成了一个随真空度变化而变化的敏感电容。由于只存在单一的敏感电容，测量电路中往往需要引入一电容值与敏感电容初值相等的固值参考电容。

图1 单侧电极MEMS电容薄膜真空规管结构图Fig.1 Structure diagram of MEMS capacitance diaphragm vacuum gauge with one-side electrode

郭占社等[8]提出了基于峰值检测的微电容测量法，该方法可用于检测MEMS设备上的单一电容变化量。电路采用实时峰值检测技术，只检测待测电容的变化量。如图2所示，首先正弦载波信号及微分电路对MEMS器件输出的电容量进行载波调制，然后通过减法电路得到幅值与电容变化量成比例的正弦信号，最后用峰值检测方法对信号进行解调，得到直流输出。测试结果表明，该测量电路具有良好的线性，测量精度可以达到2%，灵敏度可以达到3.6 V/pF。但该电路不易于小型化集成。

图2 基于峰值检测的微电容测量电路框图Fig.2 Block diagram of small capacitance measurement circuit based on the peak detection

Wang等[9]设计了一种具有宽温度范围的基于CMOS的微电容测量电路。如图3所示，电路采用相关双采样方法，Vref为输入参考电压，时钟信号Φ1、Φ2通过控制开关控制电容的充放电从而完成对敏感电容的测量。保持电容Ch1、Ch2用来存储和消除低频噪声及运算放大器的偏置电压。电路采用结构简单、性能稳定的二阶Σ-Δ调制器来实现高的分辨率，其中电容C3=2C4。测量过程分为两个阶段，当信号Cal置“0”时，电路处于正常工作状态，输出为y；当信号Cal置“1”时，电路处于校准状态，C1和C2位置互换，此时输出为y′。两种状态下的输出信号都包含由时钟反馈回路、电荷注入效应、开关漏电流等产生的噪声，两者相减即可消除这些噪声。另外，电路采用了恒定跨导偏置技术使得电路在-55～125℃温度范围能正常工作[10-11]。

图3 电容-数字信号转换器原理图Fig.3 Schematic of capacitance to digital converter circuit

电路芯片利用IBM 0.13 μm CMOS技术制造， CMOS电路板的尺寸为1 950 μm×1 850 μm，有效电路尺寸为263 μm×354 μm，采用2.5 V电源供电，功率消耗约为0.69 mW。在-20～225℃温度范围内，电路精度可达到2.4%，分辨率可达到1.44 fF。

图4 电容-数字信号转换器电路布局和芯片显微照片Fig.4 Layout and chip micrograph of capacitance to digital converter circuit

2 双侧电极微小电容测量

敏感电容为双侧电极结构的MEMS电容薄膜真空规管结构如图5所示，敏感薄膜上的电极与上下硅基底上的电极构成了两个随真空度变化而变化的敏感电容。差动结构的敏感电容配合差动电路能准确感知薄膜的微小变化、减小寄生电容和耦合电容的影响、提高测量的共模抑制比，从而提高整个系统的分辨率，因此通常采用功耗低、易小型化集成的开关电容电路来构成差动测量电路[12-13]。而随着MEMS传感器的广泛应用，具有可调性、能满足不同设备需求的电路也比较受关注。

图5 双侧电极MEMS电容薄膜真空规管结构图Fig.5 Structure diagram of MEMS capacitance diaphragm vacuum gauge with two-side electrode

官泳华[14]设计了一种具有可调灵敏度的针对差动电容结构的MEMS电容式传感器的信号测量电路。如图6所示，电路包括传感器电容CX1、CX2，寄生电容CP，输入阻抗缓冲器R，前置可编程放大器，一个单位增益的反相放大器，相敏解调器，可调方波时钟发生器，低通滤波器（LPF），可编程输出放大器[15-16]。可编程放大器提供了多个增益，使得电路可以根据信号的输入强度及要求来选择合适增益。可调方波时钟发生器为传感器提供激励信号，同时为解调器提供时钟信号，这种可调性可以抑制传感器的结构变化以及封装给电路的影响[17]。另外，该电路中采用了片上电容阵列[18]，可以抵消差动结构电容的失配导致的不平衡。

图6 差动式可调谐微电容测量电路原理图Fig.6 Schematic of tunable small capacitance measurement circuit with differential structure

电路集成芯片采用0.13 μm CMOS技术制造，供电电压为1.8 V，能耗约为10 mW。测试结果表明，电路能够测量MEMS电容式传感器中的飞法级别的电容变化，灵敏度可达到0.3 mV/fF，通过调节相关参数，灵敏度可达到1 mV/fF。

Awmini等[19]设计了一种开关电容电路来测量具有差动敏感电容结构的MEMS设备的微小电容变化。电路主要由开关电容电荷放大器和一阶Σ-Δ调制器组成[20]，利用0.25 μm CMOS技术制作成集成芯片，芯片有效面积约为2 mm2，供电电压2.5 V，功耗约为6 mW。电路的灵敏度可以达到2.5 V/pF，分辨率可达到4 aF。为满足不同应用的需求，Pérez Sanjur⁃jo等[20]设计了一种适用于MEMS电容式传感器的电容-数字信号转换电路。如图7所示，MEMS敏感电容通过惠斯通电桥与电容-数字信号转换电路相连。Csens为敏感电容，Cref为和敏感电容具有相同温度特性的参考电容，VEX方波激励信号，则电桥输出Vdiff如式（1）：

图7 MEMS传感器及电容-数字信号转换电路原理图Fig.7 Block schematic of the MEMS sensor and capacitance to digital converter

测量时，首先由开关电容放大器将电容转换为电压，然后由一个自振荡噪声整形积分双斜率转换器将电压信号转换为数字信号[21-22]。在前级模拟电路中，COffset和CGain为可编程电容，可以调剂电桥的输出信号同时补偿电桥的偏移，该特征可以使电路处理相同MEMS设备的不同信号或有相同激励信号的不同的MEMS器件。自振荡噪声整形积分双斜率转换器使用时间而不是幅度分辨率来产生多位数字输出信号，结构简单，能有效消除偏移及闪烁噪声，实现高精度的测量。

如图8所示，电路采用0.13 μm CMOS技术制作成集成芯片，有效面积约为0.317 mm2，功率消耗约为0.2 mW。测量结果表明，电路可以在-40～80℃温度范围内正常工作，电容分辨率可达到7 aF，压力分辨率可达到1 Pa。

3 静电力平衡结构微电容测量

和普通MEMS电容式传感器相比，静电力平衡电容式传感器采用闭环工作方式，利用力平衡反馈回路产生静电力来平衡传感器中的感压薄膜或质量块[23]。静电力平衡技术在MEMS加速度计、陀螺仪等传感器中应用广泛[24-25]，在MEMS电容压力传感器中处于发展阶段。Miyashita等[26]设计了一种静电力平衡的MEMS电容薄膜真空计，如图9所示。感压薄膜上的电极分别与固定电极、参考电极构成敏感电容和参考电容，伺服电极位于感压薄膜下方，通过施加静电力使感压薄膜在测量真空度的过程中处于一个确定的位置，从而实现宽范围的动态压力测量。

图8 MEMS传感器与电容-数字信号转换器芯片封装图Fig.8 Die photo of the MEMS sensor and the CDC bonded together in a package

当被测压力为p时，要使感压薄膜处于平衡状态，则施加在感压薄膜上的单位面积的静电力Fe应于压力p相等，即：

图9 静电力平衡式MEMS电容薄膜真空规管结构图Fig.9 Structure diagram of electrostatic balance MEMS capacitance diaphragm vacuum gauge

当伺服电压为VS时，薄膜上所受的静电力Fe为：

式中：ε0为真空腔室的介电常数；d是伺服电极与薄膜间的距离。

由式（2）、式（3）得伺服电压与压力p的关系为：

如图10所示，静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计的信号处理电路由微电容测量电路和静电力控制回路组成。其中，微电容测量电路用来对敏感电容的变化量测量得到压力信号，而静电力控制回路用来产生伺服电压。

图10 静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计测量电路结构图Fig.10 Structure block diagram of measurement circuit for electrostatic balance MEMS capacitance diaphragm gauge

为了保证静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计具有高精度以及良好的稳定性，静电力控制回路须要产生精确稳定的静电力[27]。通常采用PID控制器作为静电力控制回路中的静电力控制器[28]。PID控制算法简单、鲁棒性好、可靠性高，在静电力反馈微传感器中应用广泛[29]。PID控制器中的比例作用可以及时反映系统的误差信号，并减小系统偏差；积分作用可以消除稳态误差，实现对设定值的无静态跟踪；微分作用可以改善系统的响应速度和稳定性。通过正确地设置PID控制器的参数，就可以使其满足静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计的测量要求。

4 结论

根据对MEMS电容薄膜真空计的微电容测量方法的分析，可以看出，针对不同结构的敏感电容，存在不同的测量方法。单侧电极微电容测量法电路结构简单，易于实现，适用于敏感电容初值较大且电容变化量也较大的场合。在测量的过程中，可以引入一个电容值与敏感电容初值相等的参考电容来构成差分测量电路，从而在一定程度上消除寄生电容的影响，提高系统的线性度。双侧电极微电容测量法适用于敏感电容为差动结构且初值及变化量都很小的场合，其电路通常包含开关电容电路以及时钟电路，这就使得电路结构比较复杂，但在双侧电极微电容测量法中，传感器与检测电路构成了双差动结构，从而能抑制测量过程中的噪声、减小寄生电容的影响，具有较高的电源抑制比及共模抑制比。静电力平衡式微电容测量法适用于静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计，电路为闭环结构，包括微电容测量电路和静电力控制回路，其中静电力控制回路用来产生平衡感压薄膜的静电力，对系统的测量性能有着至关重要的影响，该方法在保证真空计高精确度测量的同时还能拓宽其动态测量范围。

MEMS电容薄膜真空计用于真空测量，要求在较宽的压力测量范围内能测得较小的压力变化量，同时需要满足深空探测、临近空间探测以及空气动力学实验等活动中测量仪器小型化的要求，所以测量电路应该在满足测量要求的前提下尽可能实现集成化、小型化、功耗低。因此，针对不同电极结构的MEMS电容薄膜真空计微电容测量电路应朝着易于集成、小型化的方向发展。由于基于开关电容法的微电容测量电路易于集成，而静电平衡结构的微电容测量法有拓宽动态测量范围的优势，因此基于两者结合的微电容测量电路有望实现对MEMS电容薄膜真空计整体测量性能的提升。另外，随着人工智能以及物联网的发展，MEMS电容薄膜真空计的应用范围已经从航空航天等高精尖领域向大众化领域拓展，这使得其需求量变大，种类更多，考虑到市场的研发时间成本，研发和设计能满足不同类型的MEMS电容薄膜真空计的电路是接下来MEMS电容薄膜真空计微小电容测量电路的主要发展方向。

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