低雜訊微小電荷量測電路應用於微機電電容感測器

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研究生：	黃明前 Ming-Chien Huang
論文名稱：	低雜訊微小電荷量測電路應用於微機電電容感測器 A Low-Noise CMOS Interface Circuit for Capacitive MEMS Sensors
指導教授：	周懷樸 Hwai-Pwu Chou
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	原子科學院 - 工程與系統科學系 Department of Engineering and System Science
論文出版年：	2006
畢業學年度：	95
語文別：	中文
論文頁數：	58
中文關鍵詞：	低雜訊、微電容感測器、微機電
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隨著微機電技術不斷地進步，越小越新穎的感測元件不斷出現。然而，將如此微小的感測元件與積體電路結合在一起，勢必會是一個很大的挑戰。
電容感測元件的變化來自於許多物理量的改變，例如:溼度、壓力、加速度，藉由這些物理量的改變，我們可以利用積體電路放大電容感測元件變化的訊號，如此可設計各種感測IC。電容感測IC不僅可以用來感測溼度、壓力、加速度，更前瞻的應用還包跨了生物醫學、接觸與非接觸型開關、指紋辨識器、及各式各樣的感測商品。
在微機電的應用中，因為電容元件具有低功率，結構簡單且比壓阻、壓電材料有著更小的溫度係數，因此廣泛的被應用於感測電路上。電容感測元件產生的機械雜訊大約為52μg/√Hz，因此在設計電容感測電路上，以將電路上所產生的雜訊降至52μg/√Hz以下為目標。現今的電容感測電路大都以解析度(10μg/√Hz)為目標，換算成電容的解析度約為0.01aF/√Hz。如此解析度的加速度電容感測電路可應用於航海上的全球定位系統和虛擬世界。本論文主旨為設計靈敏度約為 300mV/1fF ，解析度0.01aF/√Hz的微電容感測電路。我們利用二次取樣與截波穩定的技巧，將運算放大器的偏移電壓與低頻雜訊降低，同時補償運算放大器的有限增益。量測結果顯示第一級利用二次取樣的電容轉電壓轉換器，靈敏度為39.6mV/1fF, 解析度0.0025aF/√Hz、6.25μg/√Hz。整體為電容感測器，靈敏度為278mV/1fF, 解析度0.277aF/√Hz、692.5μg/√Hz。此低雜訊微小電荷量測電路由國家晶片系統設計中心(CIC)委託TSMC製作，製程為TSMC 0.35μm Mixed-Signal 2P4M Polycide 3.3/5V。

誌謝...................................................................Ⅰ
摘要...................................................................Ⅱ
目錄...................................................................Ⅳ
圖目錄.................................................................Ⅵ
表目錄.................................................................Ⅸ

第一章    緒論..........................................................1
1.1    研究動機與目的................................................1
1.2    論文架構......................................................2
第二章    文獻回顧......................................................4
2.1    截波穩定型電容感測電路........................................4
2.2    切換式電容感測電路............................................5
2.3    截波穩定型與切換式電容感測電路的實例與比較....................6
2.4    二次取樣與截波穩定的原理簡介..................................11
第三章    低雜訊微小電荷量測電路........................................15
3.1    前言..........................................................15
3.2    第一級電容轉電壓轉換器........................................16
3.3    第一級電容轉電壓轉換器模擬結果................................21
3.4    第二級截波穩定放大器..........................................28
3.5    低通濾波器 ...................................................31
3.6    偏壓電路......................................................34
3.7    低雜訊微小電荷量測電路模擬結果................................37
第四章    低雜訊微小電荷量測電路雜訊分析................................41
4.1    第一級雜訊分析................................................41
4.2    第二級雜訊分析................................................43
4.3    噪訊比分析....................................................44
第五章   量測環境規劃與測試結果分析....................................46
   5.1   量測環境與儀器................................................46
   5.2   量測規劃與結果分析............................................47
第六章   結論與建議....................................................56
參考文獻...............................................................58

                                

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全文公開日期本全文未授權公開 (校內網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)

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