实现最优的传感器:ASIC与MEMS协同设计方法

2014-03-05 21:24 来源:电子信息网 作者:铃铛

另外,基于Σ-Δ的环路默认提供模数转换功能,因此不需要再使用单独的A/D.Σ-Δ闭环架构代表了高性能数字读取传感器的最优架构。值得注意的是,Σ-Δ系统的超采样特性会使操作系统工作在相对较高的频率,因此系统变得较易受MEMS寄生电容耦合的影响。尽管如此,抵消这种耦合的电路技术已经非常成熟,并且可以在传感器的接口ASIC中实现。Σ-Δ闭环传感器的架构选择需要依据为电子Σ-Δ系统开发的深层技术。然而,具有自然电子-机械特性的 Σ-Δ闭环传感器在系统级设计与优化时需要正确理解MEMS的工作原理和建模机制。典型MEMS传感器的检测部分行为就像是一个二阶集总式质量块(阻尼器)弹簧机械系统,具有单一的谐振频率,其传递函数如下:

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其中Fin(s)是输入的力(在使用陀螺仪时是科里奥利力,在使用加速度计时是由于输入加速产生的力)。x(s)是传感器质量块对应输入力的位移。m是质量块的质量,D是阻尼系数,k是弹簧常数(刚度)。

MEMS传感器的工作原理基于这样一个事实:给MEMS施加一个输入力(Fin)将产生一定的位移,进而改变MEMS电容(Cout)。这个Cout可以用连接MEMS单元的电路进行测量。带激励电极的MEMS传感器建模如图1所示。这个模型的增益是Kx/c,代表由于MEMS质量块位移引起的输出电容变化。Kx/c等于:

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其中Cd是MEMS的检测电容,X0是电容间隙距离。系数2代表差分工作。这个模型还包含一个KV/F因子,它是由于反馈电压VACT产生的力:

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其中VACT是激励电压,Ca是MEMS的激励电容。吸合(拉入)是电容式MEMS传感器的一个重要现象,此时电容极板由于施加的大电压而吸合在一起,从而导致工作故障。防止吸合的最大静态电压等于:

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其中C0是电容的剩余容量。上述Vp表达式只是用于展示Vp的相关性。

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ASIC MEMS

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