单电容式及差分电容式MEMS传感器检测系统

传感器技术是信息社会的四大支柱之一,传感器和计算机结合形成的智能系统大大的拓展了人类生活的空间。在传感器家族中,根据电容的物理特性制作的传感器占有重要地位。电容传感器是很好的状态传感器,可提高电容检测,尤其是微小电容检测的精度,是目前测控技术的热点。本文重点介绍一套微小电容差分高精度检测电路,该套电路可测物体的运动加速度,加速度计的分辨率可达2-18。     

加速度传感器信号处理集成电路的研制

设计并制作了一种用于差分电容式加速度传感器的信号处理电路.该电路具有模拟和脉宽调制两种输出方式,能够将差分电容的变化通过模拟电平和输出脉冲信号的占空比表征,实现了对差分电容式加速度传感器信号的测量.电路中集成了自检测驱动单元.电路采用4 μm P阱CMOS工艺制作.初步测试结果表明:在1～5 pF内,电路的灵敏度为10.7 V/pF,可满足大多数差分电容式传感器信号处理的要求.     

单电容式及差分电容式HEMS传感器检测系统

传感器技术是信息社会的四大支柱之一,传感器和计算机结合形成的智能系统大大的拓展了人类生活的空间.在传感器家族中,根据电容的物理特性制作的传感器占有重要地位.电容传感器是很好的状态传感器,可提高电容检测,尤其是微小电容检测的精度,是目前测控技术的热点.本文重点介绍一套微小电容差分高精度检测电路,该套电路可测物体的运动加速度,加速度计的分辨率可达2-18.     

加速度传感器信号处理集成电路的研制

设计并制作了一种用于差分电容式加速度传感器的信号处理电路。该电路具有模拟和脉宽调制两种输出方式 ,能够将差分电容的变化通过模拟电平和输出脉冲信号的占空比表征 ,实现了对差分电容式加速度传感器信号的测量。电路中集成了自检测驱动单元。电路采用 4 μmP阱CMOS工艺制作。初步测试结果表明 :在 1～ 5 pF内 ,电路的灵敏度为 10 .7V/ pF ,可满足大多数差分电容式传感器信号处理的要求。     

加速度和角速度传感器的单芯片化

据《日经微器件》2006年第11期报道,美国Analog Devices公司使用MEMS技术开发了车载的新型传感器芯片。该器件的特点是将加速度传感器和角速度传感器MEMS制作在同一芯片上,实现单芯片化,其次是使用SOI图片来设计新结构的加速度/角速度传感器。2008~2009年计划将3轴加速度传感器     

加速度传感器信号处理集成电路的研制

设计并制作了一种用于差分电容式加速度传感器的信号处理电路。该电路具有模拟和脉宽调制两种输出方式，能够将差分电容的变化通过模拟电平和输出脉冲信号的占空比表征，实现了对差分电容式加速度传感器信号的测量。电路中集成了自检测驱动单元。电路采用4μmP阱CMOS工艺制作。初步测试结果表明：在1～5pF内，电路的灵敏度为10．7V／pF，可满足大多数差分电容式传感器信号处理的要求。     

MOS环振式数字加速度传感器

提出了一种新的环振式数字加速度传感器,它采用做在硅梁上的MOS环形振荡器作为敏感元件,两个反方向变化的环振输出信号通过集成在片内的混频器实现频率相减.该传感器具有准数字输出、灵敏度高、温度系数低以及制作工艺简单等特点.分析了环形振荡器的频率特性,以及环形振荡器的谐振频率和加速度的关系,分析并设计了加速度传感器的环形振荡器电路、混频器电路、物理结构以及制作工艺,并制作了样品,其灵敏度为6 .91k Hz/g.     

MOS环振式数字加速度传感器

提出了一种新的环振式数字加速度传感器,它采用做在硅梁上的MOS环形振荡器作为敏感元件,两个反方向变化的环振输出信号通过集成在片内的混频器实现频率相减.该传感器具有准数字输出、灵敏度高、温度系数低以及制作工艺简单等特点.分析了环形振荡器的频率特性,以及环形振荡器的谐振频率和加速度的关系,分析并设计了加速度传感器的环形振荡器电路、混频器电路、物理结构以及制作工艺,并制作了样品,其灵敏度为6.91kHz/g.     

真空微电子加速度传感器闭环控制模型仿真与实现

为提高真空微电子加速度传感器的线性度,提出了基于数字PID控制算法的真空微电子加速度传感器闭环控制方法.建立了真空微电子加速度传感器闭环控制模型,进行仿真分析.设计制作以TMS320VC5416DSP为核心的控制电路,实现了真空微电子加速度传感器的闭环控制.实验结果表明,在士10 m/s2)的测量范围内,加速度计的标度因数为0.212 7,满量程输出电压为0.427 3 V,非线性度≤0.98％.该电路能较好的实现真空微电子加速度传感器的闭环控制.     

带有静电自检测功能的高灵敏度加速度传感器

研究了一种带有自检功能的在平面内自限制压阻式加速度传感器.为实现该加速度传感器,提出了一套新的体硅微机械工艺,使用普通硅片取代SOI硅片来制作器件.传感器采用在深槽侧壁(悬臂梁弯曲的表面)制作压阻的方法,灵敏度比在硅表面上制作压阻的传统器件高近一倍.传感器利用集成在内的静电驱动器,实现电自检测功能.     

以混频器作为信号处理单􀀂 元的环振式压力传感器

提出了一种新的环振式数字压力传感器，它采用做在硅梁上的MOS环形振荡器作为敏感元件，两个反方向变化的环形振荡器的输出信号通过集成在片内的混频器实现频率相减，分析了环形振荡器的频率特性，以及环形振荡器的谐振频率和压力的关系，分析并设计了压力传感器的环形振荡器电路、混频器电路、物理结构以及制作工艺，并制作了样品，其灵敏度为1．52kHz／kPa。     

A low-noise low-offset capacitive sensing amplifier for a 50-/spl mu/g//spl radic/Hz monolithic CMOS MEMS accelerometer

This paper describes a CMOS capacitive sensing amplifier for a monolithic MEMS accelerometer fabricated by post-CMOS surface micromachining. This chopper stabilized amplifier employs capacitance matching with optimal transistor sizing to minimize sensor noise floor. Offsets due to sensor and circuit are reduced by ac offset calibration and dc offset cancellation based on a differential difference amplifier (DDA). Low-duty-cycle periodic reset is used to establish robust dc bias at the sensing electrodes with low noise. This work shows that continuous-time voltage sensing can achieve lower noise than switched-capacitor charge integration for sensing ultra-small capacitance changes. A prototype accelerometer integrated with this circuit achieves 50-/spl mu/g//spl radic/Hz acceleration noise floor and 0.02-aF//spl radic/Hz capacitance noise floor while chopped at 1 MHz.     

一种新型挠性轴内置式扭摆微加速度计的设计

针对扭摆式加速度计的结构特点，为了有效利用硅片面积和提高质量块质量，设计了一种新型挠性轴内置于质量块的扭摆式加速度计，该结构具有检测电极和力反馈电极。根据结构设计参数，推导出中心敏感电容、等效质量、机械灵敏度的参数表达式。利用扭摆加速度计的数学模型，建立了加速度计表头系统级模型，并结合接口电路进行闭环整体仿真，调整校正环节参数，得到闭环系统性能指标。最后进行初步开环测试，测得加速度计的灵敏度为33mV/g，非线性度2.29%。     

悬臂梁式硅微加速度计的研制

介绍一种悬臂梁式硅微加速度计的结构与工作原理,并利用ANSYS软件进行了仿真模拟。采用体硅“无掩膜”腐蚀技术,对设计出的敏感芯片进行了工艺试制。通过合理的设计,使挠性梁腐蚀区域侧面上产生(311)面,通过控制所产生的(311)面对(111)面的侵削作用,获得了所需结构。为提高灵敏度和线性,该加速度计采用静电力反馈闭环控制方式,检测与处理电路采用高精度双极线性电路工艺进行了工艺流片。利用多芯片组装工艺进行了敏感芯片与一次集成的检测和处理电路的混合封装。经测试硅微加速度计性能为量程±50g,分辨率3×10–3g,非线性<5×10–4,质量为9.6g。     

一种新型挠性轴内置式扭摆微加速度计的设计

针对扭摆式加速度计的结构特点,为了有效利用硅片面积和提高质量块质量,设计了一种新型挠性轴内置于质量块的扭摆式加速度计,该结构具有检测电极和力反馈电极。根据结构设计参数,推导出中心敏感电容、等效质量、机械灵敏度的参数表达式。利用扭摆加速度计的数学模型,建立了加速度计表头系统级模型,并结合接口电路进行闭环整体仿真,调整校正环节参数,得到闭环系统性能指标。最后进行初步开环测试,测得加速度计的灵敏度为33mV/g,非线性度2.29%。     

一种具有应力隔离结构的扭摆式电容加速度计

基于硅-玻璃键合工艺的扭摆式加速度计,其信号输出对扭转梁上的应力极敏感,而微加工过程中由于硅、玻璃两种材料热膨胀系数不匹配,会在扭转梁上引入较大的热应力,进而引起加速度计温度漂移。为此,提出一种具有应力隔离结构的扭摆式电容加速度计。通过缓冲折叠梁和内支撑框架的优化组合,使热应力难以传递到扭转梁上,从而有效降低加速度计的温度漂移。使用ANSYS软件对加速度计进行了模态和热应力分析,结果表明:工作模态的固有频率为1 352 Hz,远小于其他干扰模态的频率;加速度计的灵敏度为0.386pF/g(g=9.8m/s2);相同条件下,不带隔离结构的扭摆加速度计的热应力主要集中在扭转梁的末端,其最大应力约100 MPa;具有应力隔离结构的加速度计,其热应力主要集中在缓冲折叠梁上,而扭转梁上的应力约为1.7 MPa,仅为前者的1.7%。采用硅-玻璃键合和电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺,完成了加速度计芯片的制作。     

Modeling and design of polymer-based tunneling accelerometers by ANSYS/MATLAB

A prototype design of an inexpensive polymer-based tunneling accelerometer is described in this paper. Instead of silicon, polymethyl methacrylate (PMMA) is used as the mechanical material. By using silicon molds fabricated by conventional lithography and wet-etching techniques in hot embossing, PMMA structures can be replicated within 20 min. The performance of the tunneling sensor can be estimated and improved based on mechanical-level analysis by ANSYS and system-level analysis by MATLAB. The nonlinear tunneling mechanism and electrostatic actuation are linearized using small-signal approximation. To enhance the stability and broaden the bandwidth of the tunneling accelerometer system, a feedback control system with one zero and two poles is designed. The dynamic range of the system is greatly enhanced. The bandwidth of the closed-loop system is approximately 15 kHz.     

一种基于SiP技术的加速度计有源磁悬浮控制电路

加速度计是以加速度的观点来测量物体运动的传感器,它通过检测质量块的惯性力来测量载体的线加速度或角加速度。文中介绍的有源磁悬浮控制电路与陀螺浮子构成磁悬浮摆式积分陀螺加速度计,该加速度计具有量程大、测量精度高等优点。受整机系统内部装配空间的限制,在电路集成化产品的设计中,采用系统集成封装(SiP)技术设计与制作有源磁悬浮控制电路,减小电路产品的底面积和高度,适应整机系统对产品的装配和使用要求。同时详细介绍了基于SiP技术的电路设计方法,对HTCC工艺的SiP结构设计进行了阐述,并简述了HTCC工艺的SiP产品达到的技术性能和应用情况。     

一种硅四层键合的高对称电容式加速度传感器

提出了一种利用体微机械加工技术制作的硅四层键合高对称电容式加速度传感器.采用硅/硅直接键合技术实现中间对称梁质量块结构的制作,然后采用硼硅玻璃软化键合方法完成上、下电极的键合.在完成整体结构圆片级真空封装的同时,通过引线腔结构方便地实现了中间电极的引线.传感器芯片大小为6.8mm×5.6mm×1.68mm,其中敏感质量块尺寸为3.2mm×3.2mm×0.84mm.对封装的传感器性能进行了初步测试,结果表明制作的传感器漏率小于0.1×10-9cm3/s,灵敏度约为6pF/g,品质因子为35,谐振频率为489Hz.     

叠加电桥检测的加速度传感器的设计

This paper describes the design,simulation,processing and test result of a high sensitivity accelerometer based on the piezoresistive effect which uses an overlay bridge detection method.The structure of this accelerometer is supersymmetric "mass-beams".This accelerometer has 8 beams,where two varistors are put in the two ends.Four varistors compose a Wheatstone bridge and the output voltages of the 4 Wheatstone bridges have been superimposed as the final output voltage.The sensitivity of the accelerometer can be improved effectively by these clever methods. A simplified mathematical model has been created to analyze the mechanical properties of the sensor,then the finite element modeling and simulation have been used to verify the feasibility of the accelerometer.The results show that the sensitivity of the accelerometer is 1.1381 m V/g,which is about four times larger than that of the single bridge accelerometers and series bridge sensor.The bandwidth is 0-1000 Hz which is equal to that of the single bridge accelerometers and the series bridge sensor.The comparison reveals that the new overlay detection bridge method can improve the sensitivity of the sensor in the same bandwidth.Meanwhile,this method provides an effective method to improve the sensitivity of piezoresistive sensors.