硅微加速度计的接口检测电路的研究

研究了微加速度计的电容变化率为１０＾－７～１０＾－８旱的微弱输出信号的 是微机械器件研制中具有普遍性的技术难点。在研究检测微小电容变化量的积分电路的基础上,进一步采用了可抑制低频噪声和漂移的相关双采样技术,以及抑制由开关的电荷注入引起的误差的技术。这些全新的技术思路和措施可望达到１０＾－７～１０＾－８的电容变化率的目的。     

闭环加速度计CMOS接口电路

采用高压18 V CMOS集成电路工艺,设计了一种开关电容闭环加速度计接口电路芯片。芯片电路中包括开关电容型电荷敏感放大器,PID控制电路以及相关双采样电路。采用相关双采样技术并用大面积PMOS晶体管作前级放大器输入级来消除放大器的1/f噪声、失调电压及KT/C噪声;用高环路增益及静电力平衡技术消除后级电路的1/f噪声、电荷注入和时钟馈通。在相同电极的条件下,利用电荷检测与静电力反馈时域分离法,有效地消除了驱动馈通的影响。设计的芯片采用18 V电源电压供电,闭环加速度计刻度因子为420 mV/g,噪声密度为10 μg/ Hz ,芯片面积为15.2 mm²。     

IEPE加速度计电路噪声分析

研究压电集成电路加速度计的主要噪声源,利用En-In噪声模型将内部噪声源等效输入端,实现了输入噪声和输入信号的直接对比,能容易得到噪声对信号的影响。将Y-Δ变换原理引入T型网络噪声分析,降低噪声分析难度。通过对电路噪声的分析,在宽频范围内推导出可用于计算IEPE加速度计电路本底噪声的公式。将理论计算值与PSpice软件噪声分析所得值进行了对比,证明二者具有良好的相关性,同时得出了各噪声源在输入端对总噪声的贡献,提出了在不同频段内降低总噪声的方法,为IEPE加速度计电路的低噪声设计、参数选择和性能优化提供了理论依据。实验样机的实际值与理论值的对比结果表明,此法对于IEPE加速度计电路低噪声设计具有应用价值。     

闭环电容式微加速度计全差分CMOS接口电路

提出了一种用于电容式微加速度计的低噪声、高线性度全差分接口电路.基于开关电容检测技术,该电路采用一种新的双路反馈结构来提高系统线性度,并采用2 μm n阱CMOS工艺完成芯片设计.仿真结果证明,电路中采用的双路反馈和全差分检测结构使系统的线性度达到0.01%.加入经过优化设计的比例-微分-积分控制器后,有效减小了系统稳...     

具有自检测功能的闭环加速度计接口电路设计

为了改善微机电系统(MEMS)电容式加速度计的噪声特性,提出了一种基于开关电容的低噪声闭环接口电路。该电路采用电荷积分器作为前级预放大装置,对寄生电容不敏感,而且具有非常低的噪声。采用相关双采样(CDS)技术消除了1/f 噪声和运算放大器失调电压的影响。同时,为了改善系统的动态响应特性,反馈部分采用积分电路,提高了系统阻尼比和响应速度。利用电荷泻放通道实现了自检测功能。采用0.5 μm CMOS工艺完成了版图设计,仿真结果表明,系统灵敏度为0.115 V/g,非线性度＜0.12%,可检测的最小加速度为20 μg,自检测输出与自检测电压成正比。     

微机械加速度计系统分析与测试

微机械加速度计是近年来才发展起来的一类微机电系统（ＭＥＭＳ）。文中介绍了扭摆式硅微型加速度计的机械结构,工作原理。根据其信号特点,对其测试的关键部分进行了搪塞,并给出了测试结果。在此基础上,对整个加速度计系统的误差来源进行了研讨。     

时分复用数字闭环电容式微加速度计接口电路

为实现电容式微加速度计的数字输出闭环,设计了一种数字输出闭环ASIC(Application Specific Integrated Circuit)接口电路,以降低电路输出噪声并提高测量量程。对已有的电容式微加速度计ASIC电路进行了改进,分时段在中间极板上加载差分电容读出信号和由脉宽调变(PWM)波控制的反馈信号,然后由控制器实现闭环,利用Sigma Delta调制器实现模数转换。通过分析差分电容读出电路和Sigma Delta调制器的原理和特性,建立了该数字输出闭环电容式微加速度计的模型,进行了系统的设计与仿真。实验结果表明,该数字输出闭环电容式微加速度计的噪声水平为9.6μg/√Hz,量程为±3g。这些结果验证了时分复用方案的可行性和本文所提出模型的正确性。     

电容式加速度计读出电路芯片设计

针对实验室的差分电容变化量为fF量级、频带宽度为0~20kHz的电容式加速度计,设计了一种可以有效减少噪声、失调电压和寄生电容影响的读出电路。该电路由开关电容积分电路、低噪声运放和单位增益采样保持电路组成。在0.5μm 2P3MCMOS工艺下完成该电路设计,通过仿真结果表明,该电路的输出电压与差分电容变化量成很好的线性关系,可以检测差分电容变化量达到fF量级。     

考虑边缘和寄生电容的微加速度计的非线性误差研究

为了使微加速度计满足线性度指标,准确计算微加速度计的非线性误差是非常必要的。在考虑边缘和寄生电容的前提下,提出了计算微加速度计的非线性误差的方法。首先根据表芯结构的电容分布特点建立了其等效电路模型,并推导了微加速度计的输出电压与检测电容和寄生电容之间的关系式,其中检测电容包含了边缘电容;其次,基于有限元法,分别提出了计算微加速度计的寄生电容和检测电容的方法;最后建立了微加速度计的输出电压与输入加速度之间的关系式,并基于三次多项式拟合,推导出微加速度计的非线性误差的计算公式。通过对比分析非线性误差的理论计算结果与实验测量结果,提出的方法的正确性得到了验证。     

微电容加速度计结构的热固耦合拓扑优化

基于连续体结构拓扑优化的SIMP材料插值模型,建立了热固耦合场结构的有限元控制方程;通过伴随矩阵方法,研究了热固耦合场的敏度分析问题;以叉指式微电容加速度计质量块受热膨胀后,在加速度检测方向的最大形变不大于某一给定值为目标,以质量块的体积比为约束条件,建立了质量块结构的热固耦合拓扑优化模型;采用优化准则算法进行迭代求解后,得到了微电容加速度计质量块的最优拓扑形式,当工作温度在0～300℃范围内变化时,该拓扑形式在加速度检测方向的最大形变仅为23.9nm。     

基于高精度运算放大器的隧道式硅微加速度计信号处理电路

介绍了一种由高精度运算放大器及精密仪表放大器构成的隧道式硅微加速度计信号处理电路,通过分析信号处理电路的构成、信号输出的有效成分、放大器的性能指标及典型用法,得出高精度运算放大器OPA128LM使用在隧道电流的I-V转换部分所具有的独特优势.后级反馈放大电路采用精密仪表放大器AD620BR构成两级放大,其各项参数极大提高了信号读出电路的精密性.实验结果表明:基于以上方法的设计对信号处理电路的精度、灵敏度及线性度等性能有明显的改善.