随着MEMS惯性器件技术的不断进步,MEMS惯性器件在军用和民用领域应用广泛。他们具有物理尺寸小、功耗低、出色的稳定性和环境适应能力。差分电容式传感器常常被用于探测各种物理量如压力值、位移、加速度、角速度等。这种传感器在电学模型上可以用两片可变电容来表示,其电容与所要探测的物理量有关。由于各种微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的尺寸都很小,电容式传感器的差分电容变化量非常小,对于差分电容差值的检测电路的设计就对工程师提出了非常高的挑战,因此这一领域也成为了各机构和院校的研究热点。本文从基本的原理出发分析了电容式传感器的基本模型和电路噪声组成,比较了三种不同的检测方式的电路结构,包括连续时间电压检测方式、连续时间电流检测方式和开关电容电荷检测方式,并基于开关电容(Switched-capacitor,SC)电荷检测方式实现了一种前端检测电路。本文首先设计了一个全差分增益增强的运算放大器用于电容-电压转换模块和采样/解调模块,以满足开关电容电路对运放带宽和增益的高要求。然后提出了一个新型结构用来提高大位移信号下的线性度。由于电路工作于低频段,相关双采样技术被用于减少闪烁噪声和直流失调的影响,包括每一个MOS开关和时钟的相位都进行了设计来抑制开关及寄生带来的非理想因素的影响。在最后的输出端是一个采用了斩波运算放大器的低通滤波器,用来滤除毛刺和噪声。同时也设计了包括时钟源、带隙基准电压、电流源、分频器与时序产生电路等外围电路。检测电路系统的突出优点是对噪声的抑制和较好的线性度,并且可以通过可编程电容阵列调整非线性补偿、失配补偿并适应不同静态电容大小的表头。检测电路基于0.18μm CMOS工艺进行设计仿真并进行了细致的版图设计和流片。版图布局考虑了最佳匹配规则,并采用低噪声的布局和设计。仿真显示检测电路-3dB带宽大于25kHz,100Hz处噪声为3.64μV/√,可适应10~100pF的单边静态电容和1~8倍的可程控增益范围,最终测试了检测电路的电容-电压输入输出转移曲线。