11、浮动栅传感器阵列的设计、校准与性能研究

浮动栅传感器阵列的设计、校准与性能研究

1. 浮动栅电流参考电路特性

浮动栅电流参考电路在生物力学植入物的长期疲劳监测中具有重要作用。在该电路中，将方程（4.25）代入方程（4.24）可得到方程（4.26），其中有效电容 $C_{eff} = C_G/k$，$k$ 是 pMOS 镜像的栅极效率。从方程（4.26）可以看出，与方程（4.24）给出的与绝对温度成正比（PTAT）的参考相比，参考电流与温度无关。不过，$C_{eff}$ 由于依赖于耗尽电容，是温度的弱函数，而电阻 $R$ 具有正温度系数，这是浮动栅电流参考的限制因素。

经过验证，浮动栅参考电路的温度补偿效果良好，在 70°C 的温度变化范围内，其变化小于 2%。此外，浮动栅参考除了具有温度补偿特性外，还可以通过注入和隧穿进行精细编程，从而能够产生亚纳安级的电流。然而，浮动栅晶体管存在漏源阻抗较低的问题（这是由于漏极和浮动栅极之间的电容耦合），这增加了电流参考对电源电压变化的敏感性。为了改善参考性能，在图 4.15 中使用了级联晶体管 Q3 - Q6 来限制 pMOS 电流镜漏极的电压变化。

2. 完整浮动栅传感器阵列的设计

2.1 传感器基本结构设计

一个完整的浮动栅传感器阵列设计需要考虑多个方面。传感器的压电换能器输出直接连接到全波整流器，该整流器采用标准二极管电桥实现。在本次设计的原型中，使用了 n⁺ - p 衬底和 p⁺ - n 阱二极管，它们自然集成在 VLSI 芯片的静电放电（ESD）保护垫上。

在整流器的输出端使用了一个存储电容，其作用是滤除不需要的高频分量。这个电容的大小需要在总保持时间和传感器的电压摆幅之间进行权衡。对于原型，选择了一个