李致铭,兰哲冲,金楷越,张杰,张鸿

(西安交通大学微电子学院,710049,西安)

电容传感器具有高灵敏度和易于集成的优势,广泛应用在触摸屏、加速度计、指纹识别及声音识别等领域。物联网和可穿戴设备等应用系统对电容传感器集成度要求推动传感器工艺尺寸不断缩减至微米(10-6m)量级,这使得传感器的电容变化量随着工艺尺寸缩减至飞法(10-15F)量级。传感器应用环境中的键合线、焊盘、印制电路板(PCB)与静电防护器件带来的寄生电容通常达到皮法(10-12F)量级。在此情况下,大寄生电容上产生的寄生电荷可以轻易干扰甚至吞没传感器电容上的信号电荷,从而严重限制了电容传感器读出电路的信号处理范围和精度[1-6]。

传统的电容传感器读出电路通常采用周期调制方式[7]或双斜坡变换方式[8-9]。前者将传感器的电容变化量转换为方波信号周期的变化量,再用时间数字转换器(TDC)得到数字输出;后者通过积分实现电容-电压(C-V)转换,再通过模数转换器(ADC)得到数字输出。这两种方案都需要在片上集成额外的固定电容来抵消寄生电容的影响,难以适应不同应用场景寄生电容可能出现较大变化的情况。为了在不同寄生电容情况下实现精确的电容测量,文献[10]采用了可变的参考电容CREF阵列,并用ADC的输出结果反馈选择不同大小CREF来适应寄生电容的变化。这种方案本质上也是采用自动增益控制的思想,但其整体结构的反馈必然大大降低读出电路的转换速度。……