一種基于閉環(huán)MEMS的電容式慣性傳感器設(shè)計

將MEMS引入Σ-Δ環(huán)路可以提高階數(shù)，并進一步抑制量化噪聲。圖2顯示了基于Σ-Δ的傳感器框圖，其中的MEMS與特殊應(yīng)用集成電路(ASIC)連接在一起組成了一個完整的傳感器。這個系統(tǒng)還集成了一個額外的Hcomp塊，用于補償環(huán)路并保持其穩(wěn)定性。

圖2：基于Σ-Δ的閉環(huán)傳感器框圖

這種閉環(huán)傳感器的系統(tǒng)級設(shè)計將確定各個MEMS和ASIC參數(shù)的最優(yōu)值，比如剛度(k)、間隙距離(X0)、阻尼系數(shù)(D)、激勵電壓(VACT)和ASIC噪聲。為了確保Σ-Δ環(huán)路的穩(wěn)定工作，傳感器的輸入信號不能超過反饋信號。因此激勵電壓值VACT定義了給定MEMS參數(shù)集條件下允許的最大輸入信號。然而，為了允許大的輸入信號范圍而產(chǎn)生大的VACT會導(dǎo)致功耗加大，而且有時要求采用特殊的ASIC技術(shù)才能允許高壓工作。ASIC技術(shù)的選擇將影響到傳感器的總體成本。更重要的是，VACT允許的最大值受MEMS吸合電壓Vp的限制。

MEMS間隙距離(X0)是系統(tǒng)能否實現(xiàn)低噪聲工作的一個關(guān)鍵參數(shù)。減小X0會產(chǎn)生更高的Cd和Kx/c，并因此增加MEMS前向增益(靈敏度)。高靈敏度可以減少ASIC噪聲對以傳感器輸入為參考的噪聲的影響。另一方面，MEMS的布朗噪聲功率直接正比于阻尼系數(shù)(D)。總的傳感器噪聲由MEMS噪聲和ASIC噪聲組成?？梢愿鶕?jù)傳感器總體目標(biāo)性能、MEMS靈敏度和阻尼系數(shù)估計最大可容忍的ASIC噪聲值。應(yīng)該注意的是，可以達到的最小X0受MEMS技術(shù)的限制。X0值對最大輸入范圍的影響，取決于激勵電壓(VACT)是否受限于MEMS的吸合電壓。如果VACT受吸合電壓的限制，那么減小X0將導(dǎo)致允許的最大輸入信號范圍減小。如果VACT不受吸合電壓的限制，那么X0的減小和激勵電容(Ca)及KV/F的改進可形成更高的反饋力，最終形成更大的輸入范圍。

MEMS單元的剛度(k)是一個重要的系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，因為它可以在MEMS單元中得到很好的控制，不像X0，其最小值受MEMS技術(shù)的限制。假設(shè)ASIC噪聲主導(dǎo)傳感器噪聲，那么可實現(xiàn)的最大動態(tài)范圍(VACT設(shè)為吸合之前的最大允許值)將獨立于一階k值。這是因為增加k不僅會降低MEMS靈敏度，增加以傳感器輸入為參考的ASIC噪聲，而且也會使反饋力增加同樣的數(shù)量，因為這種方法允許在更高的VACT時工作。在MEMS噪聲主導(dǎo)傳感器性能的情況下，應(yīng)增加k值，以便支持更大的動態(tài)范圍。而在工作不受吸合限制的情況下，最好是減小k值，從而提高MEMS靈敏度，減小ASIC噪聲對傳感器噪聲的影響。需要注意的是，k值會改變MEMS單元的諧振頻率。在開環(huán)傳感器中，諧振頻率設(shè)定了傳感器帶寬的上限，而對閉環(huán)系統(tǒng)來說不是這樣。因此k值可以根據(jù)動態(tài)范圍和噪聲要求進行設(shè)置。

傳感器性能對MEMS和ASIC參數(shù)的高度依賴性表明，閉環(huán)傳感器的系統(tǒng)級設(shè)計需要做大量的折衷考慮，其中的ASIC噪聲預(yù)算、激勵電壓、功耗和技術(shù)都高度依賴于MEMS參數(shù)。因此為了實現(xiàn)最優(yōu)的傳感器，強烈推薦基于傳感器總體目標(biāo)規(guī)格的ASIC與MEMS協(xié)同設(shè)計方法，而不是針對已經(jīng)設(shè)計好的MEM再進行ASIC設(shè)計。