高精度电容式MEMS加速度计系统设计

在传统Σ-Δ架构基础上,引入了低精度高速模/数转换器(ADC),将前置放大器输出的模拟电压信号转换为数字信号,有利于简化电容式微电子机械系统(MEMS)加速度计系统模拟接口电路设计.在嵌入ADC的MEMS加速度系统中,采用过采样平均数字算法对信号进行估计,有效降低系统对前置放大器噪声性能的需求,利于实现低功耗和高精度的设计目标.仿真结果表明:与未采用过采样平均技术相比,当前置放大器输出等效噪声大于1μV/Hz时,系统的信噪比(SNR)提高了约10dB.     

基于多目标遗传算法的Σ-ΔMEMS加速度计优化设计

针对单目标遗传算法设计优化高阶Σ-Δ微机电系统(Σ-ΔMEMS)加速度计时易出现的稳定性问题,提出了基于多目标遗传算法的MEMS加速度计环路滤波器优化设计方法.对三阶非限定性Σ-ΔMEMS加速度计系统,采用多目标遗传算法,将∞—范数和信噪比作为设计目标对其环路滤波器参数进行优化设计.结果表明:相比只针对信噪比进行优化的传统单目标遗传算法,多目标遗传算法在确保高信噪比的同时,提高了系统的相位裕度,使得最大稳定输入信号范围增幅超过1倍,增强了系统对MEMS敏感元件工艺误差的鲁棒性.     

面向硅微谐振式加速度计的高精度片上温度控制器

为提高硅微谐振式加速度计在变温环境下的精度与稳定性,设计并制备了一种高精度的片上温度控制器,它由硅衬底、铂电阻加热器、测温电阻和温度控制电路组成。对温度控制器的传热模型进行理论分析,使用COMSOL对片上温度控制器进行仿真。利用微加工技术制备温度控制器,并设计实验对温控精度、长期稳定性、环境温度影响、功耗等指标进行测试。结果表明,温度控制器可以在600 s内稳定在设定温度±0.001 5℃的范围内,加速度计输出的频率波动范围为±0.03 Hz,内部温度随外界温度变化为0.012 5℃/℃,片上温度控制器的峰值功耗为100 mW。该温度控制器精度高、通用性强,适用于温度范围小、精度要求高的应用场景。     

新型电容式MEMS加速度计数字接口电路设计

MEMS加速度计接口电路主要采用传统sigma-delta架构实现,但这种方式中的电路失调电压很容易产生积分饱和现象．为解决这个问题,本文设计了一种可以用于钻井、石油勘探等微弱信号检测的新型数字电容接口电路．该设计在电容式MEMS加速度传感器基础上,采用FPGA实现数字三阶环路滤波器,构成5阶sigma-delta系统．采用数字环路滤波器降低了ASIC模拟电路版图设计与芯片测试难度,利于快速优化环路滤波器设计参数,改善系统稳定性和优化系统噪声性能．前置放大器采用一种相对简单的相关双采样技术,能够有效减小前置放大器的失调电压．根据MEMS加速度计前置放大器输出信号符合正态分布的特点,设计了带有一定预测功能的8-bit瞬时浮点ADC,实现模拟与数字环路滤波器互联．在200Hz带宽内,该接口电路系统噪声基底达到53．09ng／rt（Hz）,满足系统噪声设计要求．前置放大器与ADC采用XFAB XH018混合信号CMOS工艺流片,开环测试表明,前置放大器的灵敏度和噪声分别为0．69V／pF和3．20μV／rt（Hz）．