以混频器作为信号处理单元的环振式压力传感器

  　自从Canali C．把MOS环形振荡器作为敏感单元用在压力传感器中^［1］，许多基于MOS环形振荡器的传感器被研制出来^［2－4］。由于MOS环形振荡器的敏感原理是基于晶体管的压敏效应，不可避免的需要进行温度补偿。一般的做法是在一个芯片上做两个环形振荡器，把这两个环形振荡器的输出频率相比，将其比值作为传感器的输出信号^［3，4］。
　　我们提出了一种新的信号处理方式，把两个环形振荡器的输出频率相减，利用混频器作为信号处理单元，把两个环形振荡器输出频率的差频作为传
感器的输出信号。

1　环振式压力传感器的基本原理　　
　　环振式数字压力传感器就是利用晶体管的压敏效应，压力使由晶体管组成的环形振荡器的谐振频率发生变化，通过检测环形振荡器的振荡频率的改变来检测压力的大小。
　　环振式数字压力传感器主要由环形振荡器、混　　频器和滤波器构成，如图1。在图中，有两个电学参数完全一致的环行振荡器，它们分布在硅梁结构的应力敏感集中区，一个环振的源漏极平行于应力方向（即源漏极之间的电流方向和应力方向平行）；称为纵向环形振荡器，另一个环振的源漏极和应力方向垂直（即源漏极之间的电流方向和应力方向垂直），称为横向环形振荡器。在图1中，混频器做在非应力敏感的厚体硅上，滤波器是片外集成的。
　　当有压力P作用时，由于压敏效应，分布在硅梁结构应力敏感区的两个环形振荡器的振荡频率发生变化，纵向环形振荡器的振荡频率增加，而横向环形振荡器的振荡频率减小，它们的输出频率通过混频器实现相减，从混频器输出的频率信号通过一个低通滤波器，消除高次谐波，得到输出信号f。通过检 测信号f的频率，就可以得到压力P的值。

　　这种压力传感器的特点是采用环行振荡器作为敏感器件，其输出信号是频率信号。压力是一种模拟量，频率信号是一种准数字量，这样就实现了从模拟量向数字量的转化。和传统谐振式压力计相比较，环振式压力传感器的优点是制作简单，不需要精密的屏蔽设备。另外，采用混频器作为片内信号处理器件，既能减小温度对输出的影响，而且可以消除很大的共模基频信号，便于后处理电路的直接应用。和传统的压阻式压力计相比较，环振式压力传感器的优点是它的输出信号是频率信号，数字化程度高。此外，和传统的压阻式压力计比较，环振式压力传感器的温度性能改进了很多。
2　环振式压力传感器的设计
2．1　环形振荡器的设计与分析
　　环形振荡器由奇数个反相器首尾相连构成^［4］，如图3所示，其振荡频率取决于反相器的延迟时间 和反相器的级数，它们之间的具体关系如式（1）

其中，n为反相器的级数，τ_PD是反相器的延迟时间，它可以表示为反相器上升时间t_r和下降时间t_f的函数，如式（2－4）

其中，C_L为反相器的负载电容，C_OX为反相器的栅电容，f_r（V）、f_f（V）是和工作电压有关的函数。综合以上表达式，环形振荡器的谐振频率可以表示为晶体管迁移率μ的函数，如式（5）

从以上分析可以看出，环形振荡器的谐振频率和晶体管的迁移率成正比。而由晶体管的压敏效应我们知道，晶体管的迁移率正比于晶体管所受到的由压力引起的应力，所以，通过检测环形振荡器谐振频率的变化，就可以得到压力的大小。
　　环行振荡器有多种电路形式，最常见的有NMOS、PMOS和CMOS环振电路。通过比较，可以发现，NMOS环行振荡器制作工艺最简单，但是输出特性比较差，存在阈值损失。CMOS环行振荡器的特性最好，但是制作工艺比较复杂。所以本文采用PMOS环形振荡器。用PMOS器件作为敏感元件，是因为和NMOS器件相比，PMOS器件的压敏系数大，压敏效应更明显，并且PMOS器件的温度系数小。用PMOS工艺制作电路，是因为和CMOS工艺相比，PMOS工艺流程简单，成品率高。
　　图2是用SPICE进行模拟优化得到的环形振荡器电路原理图，该环振共有11级反相器，后面是输出级。该环振的输出波形为正弦波，谐振频率为f₀＝1．5 MHz，输出信号的幅度为2 V。
2．2　混频器的设计与分析
　　当有压力作用时，在同一个硅梁上的纵向环行振荡器和横向环行振荡器的谐振频率随压力的变化是不一样的，纵向环行振荡器的谐振频率f_l随压力变大而变大，如式（6）


其中，f₀为环振本征频率，Δf_l、Δf_t为压力引起的频率变化，f_l（T）、f_t（T）为环振频率随温度的变化函数。
　　由于两个环振的电学参数完全一样，并且它们在硅片上分布在一起，其温度影响也应该基本相同，因此f₁（T）＝f_t（T）。把这两个环振的振荡频率相减，可以得到两个环振的差频输出，如式（8）

通过对环振频率信号的处理，得到环振的差频输出。这样不但可以减小温度对输出的影响，而且增大了对压力的输出响应频率，另外，还可以消除很大的共模基频信号，便于后处理电路的直接应用。在本设计中采用混频器来实现频率相减功能。
　　混频器有多种形式，很多电路都可以实现混频作用，比较典型的有电感电容耦合混频器。在微电子领域，很难做比较大的电感和电容，一般不采用电感电容来实现混频。根据晶体管的小信号特性，单个晶体管就可以实现混频。所以为了实现单片集成，一般采用晶体管混频电路。
　　为了改善混频特性，我们设计了一种双栅MOS混频器，如图3。在图中，－5 V是直流电源，为混频器提供直流偏置，IN₁、IN₂是两个频率输入信号，OUT是输出信号。用SPICE对双栅MOS混频器进行了仿真设计，输入信号频率范围是2 MHz，混频之后的输出信号范围是0～1 MHz，该混频器的输出信号幅度为0．5 V。三角波和方波的混频特性比较差，这是因为这两种波形比较复杂，无法等效成比较简单的正弦波。因此，为了得到比较好的混频特性，环形振荡器的输出波形要求和正弦波比较相似。
2．3　压力传感器的结构设计
　　我们采用的硅杯结构如图4所示，图4a为结构正视图，图4b是剖面图。在图中，ROT、ROL是两个电学参数完全相同的环形振荡器，M是混频器。另外，P是压力，S是由压力产生的应力。利用有限元分析软件ANSYS，我们对该结构进行了应力分析，确定了硅杯的结构尺寸，2000μm×2000μm，膜厚：20μm。

3　试验结果和结论
　　图5给出了压力传感器的输出频率和压力的关系曲线，滤波器是采用片外集成的方式，该压力传感器的零压力频率输出是350 Hz，灵敏度为1．52 kHz／kPa。该器件的温度系数以及零点漂移等特性有待进一步测试。
　　本文所介绍的新型环振式数字压力传感器，和传统的压力传感器不同，它采用环形振荡器作为敏感元件，利用混频器作为片内的信号处理单元，具有准数字输出和单片集成的特点，而且制作工艺及测量方法比较简单。这种压力传感器具有较大的实用意义和广泛的应用前景。

［1］　Canali C，Ferla G，Morten Band TaroNI A．PiezoresistivityEffects in MOS－FETuseful for pressure transducers［J］．Journal of Physics D，1979，12：1973－1983．
［2］　Wang Y，Zheng X，Liu L，etal，Anovel structure of pres－sure sensors［J］．IEEE Transactions on Electron Devices，1991，38（8）：1797－1802．
［3］　Schorner R，Poppinger Mand EiblJ，Silicon pressure sensorwith frequency output［J］．Sensorsand Actuators，1990，A21－A23：73－78．
［4］　Neumeister J，Schuster Gand von Munch W．Asilicon pres－sure sensor using MOSring oscillators［J］．Sensors and Actu－ators，1985，7：167－176．