一种适用无源RFID 的集成加速度传感器设计*

陈 宏，邓芳明，何怡刚，吴 翔

(1.华东交通大学 轨道交通学院，江西 南昌330013;2.合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥230009;3.华东交通大学 电子与电气学院，江西 南昌330013)

0 引 言

射频识别(RFID)技术是一种非接触的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象获取数据，是当前物联网发展的关键技术。RFID 标签按照工作方式可以分为有源标签、半有源标签和无源标签三类，其中，无源RFID 标签由于无需内置电池、成本低且使用周期长，更加广泛地被应用于实际生产生活中［1］。无源RFID 标签利用标签天线接收RFID 阅读器发送的无线信号，并经标签内部的整流器和稳压电路转换为直流电压为后续电路供电。因此，功耗是无源RFID 标签最关键的性能指标，它决定了RFID 标签的最大工作距离。

电容式加速度传感器具有功率耗散低、灵敏度高、温度效应小、加工工艺不复杂、集成容易等优点，是目前应用很广泛的一种加速度传感器［2］。作为集成电路主流制造工艺的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺可以很容易地将传感器、存储器、信号处理电路及接口电路等集成在一起，而集成的接口电路具有更高的准确性、更小的芯片面积及更低的功耗，因此，采用CMOS 工艺制造电容式MEMS 加速度传感器具有很大吸引力。

电容式加速度传感器以电容形式接入接口电路，因此，集成加速度传感器的主要功耗来源于接口电路。近年来，国际上针对电容式传感器接口电路中电容/数字转换提出了几种设计方法。传统电容式传感器接口电路［3］首先采用电容/电压转换器，产生一个与传感器电容和参考电容差值呈正比例的电压信号，再经过A/D 转换器(ADC)完成电压/数字转换。这种设计方法能够获得高速和高分辨率性能，但由于采用了ADC，电路结构复杂，功耗甚高(常达到mW 级)，不适合无源应用。文献［4］针对上述设计方法，采用反相器替代完成运算放大器功能，极大降低了整体电路功耗，但仍采用了较高的电源电压。文献［5］基于脉冲宽度调制法，首先将传感器电容值变化转换到时域，再将时域信号转换成相对应的数字信号。这种方法适合应用于传感器电容变化范围大的设计中，但电路复杂，转换速度慢，也不适合无源低功耗设计。至今为止，国际上所报道的集成加速度传感器接口电路都仅采用电容/电压转换方案［6，7］，且整体功耗达到mW 级。

本文旨在设计一种功耗μW 级的集成电容式加速度传感器，以满足无源RFID 标签及其它超低功耗应用需求。

1 加速度传感器原理

根据平行板电容器的计算公式C=ε0εrA/d 可知，改变极板叠合面积A、极板间隙d 或极板间介质的相对介电常数εr等参数可以来调节电容值的大小，因此，电容式结构将加速度物理量转换为电信号的方法有变间隙、变面积、变介电常数3 种［8］。本文采用变面积电极结构，可以在结构上避免差分电容引入的非线性。原理分析如下:

在没有加速度作用时，如图1(a)所示，敏感质量块处于平衡位置。

图1 梳齿电容式加速度传感器检测原理Fig 1 Detection principle of comb capacitive acceleration sensor此时差分电容为

其中，ε0为真空介电常数，εr为相对介电常数，N 为梳齿电容极板对数，h 为梳齿电容极板厚度，L0为梳齿电容极板交叉重叠长度，C0为平衡位置时电容值。

如图1(b)所示，当外加加速度不为零时，敏感质量块偏移平衡位置，活动梳齿与固定梳齿交叠长度发生变化为

从而引起差动电容变化

则总的电容变化量为

由式(7)可知，差分电容变化量与梳齿的交叠长度变化量ΔL 完全呈线性关系。

又当频率明显低于谐振频率时，质量块的位移加速度比可以表示为

其中，ΔL 为位移，即梳齿的交叠长度变化量，a 为加速度，m 为敏感质量块质量，k 为弹性梁的弹性系数，ωr为微结构的谐振频率。由于m，k，ωr均为定值，可以得出位移与加速度保持良好的线性关系。

2 CMOS－MEMS 工艺

图2 所示为从单晶硅衬底的背面采用深反应离子刻蚀的加工工艺，首先通过刻蚀结构背部以确定其厚度，如图2(a)所示;对SiO2进行异性刻蚀，如图2(b)，以使Si 在电学上隔离;并如图2(c)所示将顶部的4 层金属Al 刻蚀掉;然后，如图2(d)所示，对Si 先后进行深度的异性刻蚀和同性刻蚀来切掉绝缘横梁下的Si，使检测电容之间，以及与Si 衬底之间相互隔离开;接着，再次对SiO2进行异性刻蚀，产生锚点、梳齿电容、弹簧等微结构(图2(e));最后，再次对Si 进行深度刻蚀来释放微结构，如图2(f)所示。

图2 CMOS 工艺流程Fig 2 CMOS process flow

3 接口电路

本文基于锁相环原理，设计了一种全数字电容式传感器接口电路，直接将传感器电容值变换到频率域进行数字转换，有利于采用更低的电源电压［9］，如图3 所示，它包含传感器控制振荡(SCO)、数字控制振荡器(DCO)和鉴相器(PD)三个模块。SCO 和DCO 都采用三级反相器结构的环形振荡器。传感器电容Csens作为可变电容负载接入SCO的一级中，由此产生一个传感器控制的振荡频率fsens。PD鉴别SCO 和DCO 的相位差产生一个二进制输出bout，且bout控制DCO 的可变负载产生一个受控的振荡频率fdig。DCO的可变负载由两电容Co和Cm并联组成。电容Co被设计成与传感器电容Csens的静态值相等，电容Cm被设计成略大于Csens的最大可变范围，且受PD 输出bout控制，从而断开或接入DCO 中。鉴相器PD 是由简单的D 触发器构成。当整个环路稳定的情况下，DCO 的输出频率fdig在一个周期内表现为大于或小于fsens，但是fdig的平均值与fsens相等。因此，鉴相器输出bout就代表了传感器电容值所对应的数字信号。

图3 本文设计的电容式传感器接口电路图Fig 3 Interface circuit of the proposed capacitive sensor

在低功耗应用中，环形振荡器中的反相器常常采用电流受限型反相器以降低功耗。虽然电流受限型反相器需要采用更高的电源电压，但可以采用更低的工作电流，提高了振荡器的温度稳定性，降低了整体功耗。本文采用一种新型的环形振荡器结构如图4 所示，M1～M6构成电流受限型三级反相器结构，M7～M9和M10～M12构成反相器的电流镜，相比传统结构，MH1，MH2和ML1，ML2额外加入为钳制前两级反相器的输出电压摆幅为

其中，VGSL为ML1的栅源电压，VGSH为MH1的栅源电压，VDS10为M10的漏源电压，VDS7为M7的漏源电压。前两级反相器采用内部限幅结构降低了动态功耗，而第三级输出级维持大信号输出摆幅以满足后续电路的驱动需求。

4 测试结果分析

本文设计的加速度传感器及其接口电路，采用台积电0.35 μm CMOS 2P4M 工艺制造，芯片图如图5 所示。

在振动台参考频率为150 Hz 下进行加速度传感器灵敏度和非线性的测试，测试结果如图6 所示。利用最小二乘法对数据进行二次拟合，根据测试结果可计算出在－8 ～+8 gn范围内加速度传感器的灵敏度约为1.64×104quants/gn

图4 本文采用的环形振荡器电路图Fig 4 Circuit diagram of the proposed ring oscillator

图5 本文设计的CMOS-MEMS 加速度传感器芯片图Fig 5 Chip diagram of the designed CMOS-MEMS acceleration sensor

图6 加速度传感器线性测试曲线Fig 6 Linear test curve of acceleration sensor

在敏感方向加载加速度幅值为2 gn的振动信号，测试了1 ～6 kHz 的频率响应，得到幅频特性曲线，如图7 所示。可知加速度传感器的谐振频率为4.3 kHz，比设计值略小，这是因为光刻时有线条损失，导致弹性梁的梁宽变窄，进而弹性系数变小，导致谐振频率变小。

图7 加速度传感器共振频率测试图Fig 7 Test charts of resonance frequency of acceleration sensor

针对零偏的温度稳定性进行了测量，将加速度传感器系统平稳地置于高精度恒温水油槽中，并平置于水平隔振台上，让加速度系统处于零加速度输入状态，保持在15 ℃下，每隔1 s 采集一个数据，共采集3 000 s，结果如图8。

图8 加速度传感器3 000 s 内温度输出稳定性Fig 8 Temperature output stability of acceleration sensor within 3 000 s

表1 将本文设计的全数字电容式传感器接口电路与近年来国内外文献中设计的电容式接口电路进行了性能对比。本文设计的接口电路结构简单，只占用了0.20 mm2芯片面积，1.0 V 电源电压下仅消耗了1.35 μW 功率。虽然文献［5，9］的方案也获得了同数量级的低功耗，但文献［5，9］分别采用了更先进的工艺，制造成本较高，且文献［9］只获得了8.1 bits 的有效位数(ENOB)。

表1 集成电容式传感器接口电路性能对比Tab 1 Performance comparison of interfaces circuit of integrated capacitive sensor

5 结 论

本文针对无源RFID 传感器标签的应用要求，采用台积电0.35 μm CMOS 工艺设计了一种集成加速度传感器。传感器单元采用从单晶Si 衬底的背面进行深反应离子刻蚀工艺，背面刻蚀完成后再正面对金属和介质复合层进行各向异性刻蚀。相比于传统加速度传感器接口电路，本设计基于锁相环原理，将传感器信号转移到频率域处理，避免了高功耗的ADC的使用。后期测试结果显示:本文设计的集成加速度传感器获得了良好的线性度和稳定性，所占面积小，功耗低，特别适用应用于无源传感器标签设计中。

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