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基于锁相环的MEMS传感器内置自测试

通过

tareq muhammad supon

论文

通过电气和计算机工程学院提交给研究生院

部分满足温莎大学应用科学硕士学位的要求

温莎，安大略省，加拿大

2012

目录

声明 三

摘要 四

题词 五

致谢 六

表目 七

附图目录 八

章节

介绍

• 1. MEMS器件: 1
  2. 电容式 MEMS 结构 2
  3. 电容式 MEMS读出电路 3
  4. 提议的方法 5

文献综

• 1. 电容式 MEMS的读出电路 7
     1. 带电压放大器的交流电桥 8
     2. 互阻抗放大器 9
     3. 开关电容 11
  2. 当前读出电路的缺点 12

采用锁相环（PLL）技术得到电容式MEMS读出方法

• 1. 提出的PLL技术的框图 13
  2. 测量方法 14
  3. 数学分析 15
  4. PLL稳定性问题 17

分析与结果

• 1. PLL的设计 18
  2. 实施与模拟结果 21
     1. 原理图级别l 21
        1. 相位频率检测器（PFD）示意图 21
        2. 充油泵和低通滤波器（CP/LPF）示意图 22

vii

• • • 1. 压控振荡器原理图 23
      2. MEMS检测模块示意图 26
      3. 拟议电路示意图 26
    1. 布局后级别 32
       1. 相频检测器的布局 33
       2. 电荷泵-低通滤波器的布局 34
       3. 压控振荡器布局 35
       4. MEMS检测块布局 36
       5. 拟议电路的布局 37

结论和未来的工作

• 1. 拟议方法的贡献 41
  2. 未来的工作 41
     1. 包含BISI技术 41
     2. 扩展到其他MEMS器件 42
     3. BISR技术简介 42

摘要

本文提出、研制了一种新的电容式微机电系统读出电路，并对其进行了仿真。读出电路利用锁相环（PLL）将MEM电容的变化转换为时域信号。该电路对过程、电源和由于锁相环系统固有反馈而引起的温度变化具有很强的鲁棒性。采用台积电-CMOS 65nm技术在频率环境下进行的布图后仿真结果表明，所设计的读出电路能够成功地测量和检测MEMS电容与其标称值之间的微小变化。

第一章介绍

当WS Trimmer和KJ Gabriel想出一个利用硅晶片设计静电电机的想法时，微机电领域已经取得了里程碑式的成就，实际上也就构建了微机电系统（MEMS）的概念。从那时起，MEMS技术经过漫长的道路之后，事实证明，它在性能、尺寸、成本和速度等各方面都更有效。CMOS-MEMS器件的引入彻底改变了微机电领域。MEMS技术传感器，执行器和信号处理电路集成在一个芯片上[3]。MEMS技术为可用的集成电路技术增添了新的内容。已经为MEMS制造和封装开发了制造设备，工艺，建模和仿真工具以及材料[4]。

• 1. MEMS器件：

在过去的25年里，MEMS已从研究兴趣发展成为数十亿美元的商业企业。作为研发工作的一部分而创建的大多数原型设备并未成为商业上成功的产品[5]。目前，绝大多数MEMS都是传感器或执行器。传感器和执行器通常是电子电路和外部环境之间的接口。MEMS执行器领域主要有四个系列：静电，压电，热和磁。MEMS位移传感器可以被认为是电容，光学和电子隧穿[5]结构。其中，

电容式MEMS结构具有相对简单的架构，同时还具有一些额外的优点。

图1：Combdrive谐振器（Courtesy Discera）

• 1. 电容式MEMS结构

电容式MEMS传感器通常用于将诸如声压或速度加速度的机械量转换为电容变化。调节其标称值的电容变化，转换成数字格式并在控制器中处理以供所需使用。电容式MEMS结构具有一些显着的优点，例如：

• • • 与其他同类产品相比，它们支持更好的频率性能，因为电容式MEMS的固有频率取决于其质量和材料特性。
    • 由于其非常小的尺寸，在制造中使用能量和材料为最小化。
    • 它们具有非常好的再现性，因为它们可以分批制造。
    • 电容式MEMS可以在芯片内制造，这样使得机械和电气接口之间的信号延迟减小。
    • 电容式MEMS器件可以获得非常高的分辨率和工作范围。
    • 由于尺寸小和精良的批量制造技术，制造成本非常低。
  1. 电容式MEMS读出电路

电容式MEMS器件能够在非常高的频率下工作，具有非常高的精度和准确度。这些特性使得电容式MEMS成为生物医学，航空电子和汽车工业等领域中非常理想的组件。对于大多数这些应用，需要高精度和准确的检测，因为最微小的误差会被证明是非常昂贵的。读出电路是电容式MEMS传感器的重要部分。即使电容式MEMS传感器将各种机械参数转换为电信号，如果没有精确的读出电路，也无法实现所需的精度。读出电路必须能够检测到电信号的非常小且突然的变化并且迅速响应。在MEMS传感器的操作中，读出电路的设计起着关键作用。在判断MEMS传感器模块的性能的同时，读出电路的性能与MEMS结构的灵敏度和效率具有相同的重要性。要设计一个读出电路，必须仔细处理不同类型的非线性效应、噪声和干扰，才能实现所需的精度和测量分辨率。因为对读出电路的严格设计要求，所以稳定电路的设计非常具有挑战性。

文献中的各种研究人员已经为读出电路提出了许多设计技术。最常用的技术是：电荷敏感放大器（CSA）[6]，相关双采样（CDS）[7]和斩波稳定（CHS）[8]。这些技术可以结合在读出电路中，以减少寄生电容效应和偏移以及在低频处占主导地位的闪烁噪声。

电荷敏感放大器（CSA）是由具有电容性质的电源驱动的电流积分器。它将输入电荷转移到另一个参考电容，并产生一个等于参考电容两端电压的输出电压。因此，输出电压与参考电容器的电荷成比例。由于米勒效应，电路的输入阻抗几乎为零。因此，所有杂散电容实际上都是接地的，它们对输出信号没有影响。在相关双采样（CDS）中，去除不被考虑的偏移的方式测量诸如电压或电流的电值。CDS的主要用途是测量传感器输出。

传感器的输出测量两次：一次处于已知状态，一次处于未知状态。然后从未知条件中减去从已知条件测量的值，以产生与被测物理量具有已知关系的值。这通常用于开关电容运算放大器。通过使用斩波电路，斩波稳定更好地描述为OPAMP中的偏移稳定。它可以最大限度地降低输入失调电压，并可能降低OPAMP中的频率噪声电压。该技术使用方波明确地切断或调制输入信号，并消除或最小化输出处出现的偏移电压。各种研究人员使用这些技术并将它们集成在不同类型的读出电路中。读出电路可分为三个基本组，即带电压放大器的交流电桥[8] - [11]，跨阻放大器[12]和开关电容电路[7]，[13] - [15]。通过在开关电容电路中结合CDS幅度调制和解调，已经报道了7.88 mV / aF的高灵敏度[16]。在这些电路中，开关电容电路被广泛使用[20]。

这些读出电路中的每一个都有其自身的优点和缺点。已经使用上述等式评估了这些电路的不同寄生电容、放大器增益带宽和采样频率的整体性能。可以保证的是，当寄生电容非常低时，交流电桥电路工作效率更高，因为它可以检测到微小的电容变化，而当寄生电容很高时，开关电容和跨阻抗放大器电路用于实现高分辨率读数。读出电路通常必须提供非常精细的测量分辨率。在这过程中，电源电压和温度（PVT）变化会显著影响读出电路的性能。

• 1. 提议的方法

在本论文中，提出了一种使用锁相环（PLL）测量MEMS电容的新技术。读出电路采用电荷泵锁相环设计。它可以从其标称值中检测出MEMS电容的微小变化。所提出的方法具有优于当前解决方案的一些优点，例如（a）低由于PLL系统的内部反馈，对PVT变化的敏感性（b）即使存在电源，工艺和温度变化，也具有高测量分辨率和精度。

论文的其余部分安排如下：第二章介绍了一些背景研究和文献综述。第三章讨论了所提出的读出电路的框图以及所提出的数学验证方法的原理。本章还详细说明了构建模块的详细功能。第四章描述了测试电路以及原理图和最后布局仿真结果。论文最后在第五章得出结论，并进行了一些讨论和未来的工作。

第二章文献综述

三维集成电路的发展提高了CMOS和MEMS集成成功的可能性。CMOS-MEMS集成[2]大大提高了微机电系统的性能，同时降低了制造成本。然而，由于这种系统的多维性质[17]以及MEMS敏感操作的日益普及，需要更强大和精确的读出解决方案来解决即将到来的挑战。顾名思义，电容式MEMS传感器基于电容变化原理运行。诸如加速度，超声波和压力之类的感兴趣的参数触发MEMS结构的电容的变化，其将这些参数转换成电信号。然后由读出电路测量由MEMS结构产生的信号。读出电路的精度和分辨率对MEMS传感器的整体性起着重要作用。

• 1. 电容式MEMS的读出电路

读出电路简单地读取MEMS器件的电容变化的值。MEMS传感器模块的性能取决于MEMS结构的灵敏度和效率以及读出电路的性能。由于MEMS器件的电容处于Atto-farad（10^-18）范围，因此必须使用非常精确的读出电路，为了来保持误差范围非常低。由于具有额外的优势，MEMS器件在我们世界几乎每个方面都具有巨大的潜力。所以精确读出电路的重要性日益增加。此外，MEMS器件现在在同一芯片（SoC）上制造，具有数字、模拟、储存器以及FPGA电路技术。因此，MEMS传感器需要精确且高精度的读出电路，以确保机械量的测量有效性。为了设计读出电路，必须仔细处理非线性效应，噪声和干扰，以实现所需的精度和测量分辨率。

读出电路已经被全面研究了很长时间。使用电容 - 电压（CV）转换方法的读出集成电路（ROIC）被广泛采用。这些电路具有高信噪比（SNR）和高灵敏度[17] - [19]。该方法的概念基于传统的模数转换（ADC）。随着电源电压的降低，传统的ADC方法存在一些缺点，如高功耗和电路复杂性[18] - [20]。已经基于传统的时间 - 数字转换（TDC）上，提出了新方法以克服这些负面影响并且提高分辨率。

• • 1. 带电压放大器的交流电桥

C_S

安培

同步解调

C_p

C_r

Vp

Vout

Vp-

伊普夫

图2：带电压放大器的交流电桥的简化框图[25]

具有电压放大器读出电路[8] - [11]，[20]的交流电桥的感测电路具有半桥，其包含

感测电容器（Cs）和参考电容器（Cr）。电路框图如图2所示。电路是由具有180°

相位差的两个脉冲驱动。电桥的输出与电容变化（C）成正比，电容变化由电压模

式放大器放大。最终输出由[20]给出：

（2.1.1）

(2.

其中A_v 是放大器增益，C_p 是寄生电容，，C_s 是感应电容，V_p 是幅度脉冲和Cs ,0是静止的MEMS电容器。选择输入脉冲的频率高于放大器的1 / f转角频率，以减少闪烁噪声。此外，增加脉冲幅度和减小寄生效应可改善输出电压。这种方法中的最小可检测电容由[20]给出： （2.1.2） 其中bw是放大器的带宽，vn是放大器的输入参考热噪声。从方程可以明显看出，最小可检测电容由电路的热噪声地板决定，仍然是寄生电容的函数。

• • 1. 互阻抗放大器

在互阻抗放大器读出电路[12]，[20]中，半桥由两个相位差为180°的交流信号驱动。桥的输出实际上由具有电阻反馈R_f的运算放大器接地。框图如图3所示

图3：瞬态放大器的简化方框图[25]

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