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。随着微电子机械系统(MEMS)设计与加工技术的不断进步,已研制出包括微型压力传感器、湿度传感器、加速度计,化学和生物传感器等产品。在国内,尚无成熟的电容传感器接口集成电路投入市场。对于MEMS微电容传感器,采用传统的分立元件搭制接口电路将无法满足精度要求,因此设计匹配的接口集成电路是十分必要的。本文分析了国外微电容传感器的处理电路的典型形式,比较了各种微电容测量电路的特点,选择了电容——频率转化电路作为本实验室的气压和湿度传感器提供检测的接口集成电路形式。本文在优化实验室2002年开发的湿度传感器接口电路的基础上,提出了一种新颖的电路形式,通过对两频率求差来抑制各种共模干扰。对原电路进行了功能测试,归纳其性能不理想的表现、提取电路的参数、分模块再仿真,找出了不理想的原因。在此基础上,重新设计各模块的结构和参数,优化各功能模块的特性,以使整体性能达到最优。提出了六管Schmitt触发器的修正设计公式,使得高低阈值电平更加符合设计值。为了满足不同电容值的传感器,同时为了克服频率输出受温度、电源波动等干扰的影响,论文提出了频率处理电路的设计。采用一定的电路将不同的频率输出范围统一到某一带宽内。创新点在于参考频率振荡器的设计,参考频率和信号频率随温度等参数有相同的变化趋势,两频率相减抵消了这些影响。采用Pspice电路仿真工具对全电路温度、电源和工艺敏感性进行模拟,结果表明,与单级振荡器比较,这种电路结构使得电源波动、工艺波动和温度的影响分别减少了97%、80%和77%,设计灵敏度达到25Hz/fF。本文采用TannerTM L-edit软件完成了版图设计。在设计中,充分考虑到与MEMS电容传感器工艺兼容,选择采用CMOS工艺线,实现传感器和处理电路的芯片集成。对电路的关键器件的版图设计进行阐述。充分考虑了布局布线对模拟电路的影响,完成了DRC文件、版图参数提取文件等必要的版图设计的辅助文档,通过后仿真验证了版图与原理图的一致性。电路的制备采用2μmP阱单层金属工艺,在电子科技集团58所流片成功。给出了工艺参数和各主要模块的测试条件和测试结果。结果表明Schmitt触发器、比较器等核心器件性能符合设计指标。给出了在不同参数条件下的电容——频率曲线,分析了外接电阻对输出信号频率与占空比的影响。电源波动等因素对频率输出基本无影响。最终得到的电路灵敏度为3Hz/fF,同时对于实际灵敏度小于设计灵敏度的原因给出了分析。本文最后阐述了分别将电路与电容式湿度传感器、电路与电容式压力传感器集成时的工艺考虑,重点在于在post—MEMS工艺的后处理过程中,如何保障电路本身不受腐蚀、键合等步骤的影响。展望了电路与传感器集成的发展趋势,并设计了处理电路与多传感器集成的一种实现形式。