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3.2 ADS1255应用电路设计 19
3.3 ATmega16基本电路设计 19
3.4 电源转换电路设计 20
3.5 基准源电路设计 21
3.6 SPI接口 21
3.6.1 SPI接口设计 22
3.6.2 ATmega16 SPI寄存器设置 22
3.6.3 ADS1255指令时序 24
3.7 MAX3232接口的实现 25
4 微电容读出电路的软件设计 27
4.1 主函数软件设计 27
4.2 微控制器初始化 28
4.3 MS3110软件设计 29
5 实验结果及分析 32
6 总结与展望 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
附 录 38
1 绪论
1.1 MEMS电容式传感器微电容检测方法概述
MEMS(MicroElectro-MechanicalSystem，微机电系统)是指采用微机械加工技术可以批量制作的集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统[1]。它把信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到新的高度。随着微机械加工技术的发展，基于微机械加工技术的MEMS传感器成为一类很重要的传感器。实现IC兼容工艺后，可以将微机械传感器敏感芯片与相应的接口电路集成在同一个硅片上，这样不仅降低制造成本，而且重复性与一致性好，还具有高的灵敏度和分辨率。电容式传感器是将被测的非电量变化转换为电容量变化的一类传感器，它广泛应用在压力、湿度、温度和加速度等测量中，具有功耗低、灵敏度高、受温度影响小等优点[2,3,4,5]。
MEMS电容传感器结合了以上两类传感器的优点，成为传感器领域一个研究热点。但是它也同时受到了两类传感器缺点的制约，在读出电路方面存在极大的挑战。首先，MEMS工艺有两个与生俱来的缺点：（1）MEMS器件受工艺的影响较大，参数的不确定性高，容易产生非线性；（2）由于MEMS传感器的结构微小，输出信号微弱，容易受到各种噪声和环境的干扰，因此其输出信号的信噪比(signal to noise ratio , SNR)低，动态范围(Dynamic Range, DR)低。其次，电容式传感器的处理电路较复杂。MEMS传感器体积小的特点决定了其电容值小，一般为pF量级；而由这些物理量引起的微电容的变化则更微小，一般为fF量级甚至更小。如果将它连接到外部电路，那么寄生电容、分布参数等会对有用信号产生很大的影响。其中，寄生电容主要包括传感器的边缘电容、传感器与读出电路间的连线电容、读出电路输入端的寄生电容等。连线电容在传感器与读出电路非单片集成的情况下影响显著[6,7]。
随着MEMS工艺水平的逐渐提高，传感电容越来越小，要检测如此微小的电容，检测电路必须具备如下特点：分辨率高，灵敏度稳定，温度漂移和时间漂移都极低，工作频率范围与通用电路器件良好兼容，对分布电容不敏感，对电磁干扰不敏感。读出电路将变得更加复杂，采用传统的分立器件及通用集成电路设计电容检测电路将越来越困难。因此为了提高电容读出电路的分辨率，就必须解决MEMS电容传感器的读出电路问题。国内外目前主要有两条解决途径：
(1) SOC（ System on Chip）方式的专用电容检测集成电路
SOC方式下，微传感器与检测电路在同一块衬底上实现，可以最大限度地减小引线电容、电阻，减小外界噪声等干扰，从而极大地提高检测分辨率。例如美国卡内基梅隆大学研制的CMOS-MEMS加速度计，采用连续时间方式实现了0.02 aF/(Hz)1/2的输入等效电容分辨率[8]。还有Analog Device公司生产的iMEMS系列加速度计，采用先进的单片式集成方法，在同一芯片上同时制作出加速度敏感元件与相应的信号调制电路[9]。SOC方式实现的加速度计、陀螺仪等已经可以用于汽车电子等对精度要求相对较低的环境中，但导航系统等应用环境需要更高精度的传感器系统，因此在SOC方式下,需要综合考虑传感器、读出电路、封装等各方面的因素，进一步提高系统的分辨率,满足高精度的需求。