基于閉環(huán)MEMS的電容式慣性傳感器設(shè)計(jì)

圖1：MEMS慣性傳感器傳感部分模型但是在像Σ-Δ環(huán)路中那樣的動(dòng)態(tài)電壓激勵(lì)情況下，上述表達(dá)式不能精確地表示Vp的實(shí)際值。在基于Σ-Δ的傳感器中，MEMS用作環(huán)路濾波器，會(huì)形成一個(gè)二階電子-機(jī)械式Σ-Δ系統(tǒng)。

將MEMS引入Σ-Δ環(huán)路可以提高階數(shù)，并進(jìn)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(gè)完整的傳感器。這個(gè)系統(tǒng)還集成了一個(gè)額外的Hcomp塊，用于補(bǔ)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(jí)設(shè)計(jì)將確定各個(gè)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(lì)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(hào)不能超過(guò)反饋信號(hào)。因此激勵(lì)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(hào)。然而，為了允許大的輸入信號(hào)范圍而產(chǎn)生大的VACT會(huì)導(dǎo)致功耗加大，而且有時(shí)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(shí)現(xiàn)低噪聲工作的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。減小X0會(huì)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(duì)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)?？偟膫鞲衅髟肼曈蒑EMS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(jì)最大可容忍的ASIC噪聲值。應(yīng)該注意的是，可以達(dá)到的最小X0受MEMS技術(shù)的限制。X0值對(duì)最大輸入范圍的影響，取決于激勵(lì)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(hào)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(lì)電容(Ca)及KV/F的改進(jìn)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(gè)重要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，因?yàn)樗梢栽贛EMS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(shí)現(xiàn)的最大動(dòng)態(tài)范圍(VACT設(shè)為吸合之前的最大允許值)將獨(dú)立于一階k值。這是因?yàn)樵黾觡不僅會(huì)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(huì)使反饋力增加同樣的數(shù)量，因?yàn)檫@種方法允許在更高的VACT時(shí)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(dòng)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M(jìn)EMS靈敏度，減小ASIC噪聲對(duì)傳感器噪聲的影響。需要注意的是，k值會(huì)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(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不是這樣。因此k值可以根據(jù)動(dòng)態(tài)范圍和噪聲要求進(jìn)行設(shè)置。

傳感器性能對(duì)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(jí)設(shè)計(jì)需要做大量的折衷考慮，其中的ASIC噪聲預(yù)算、激勵(lì)電壓、功耗和技術(shù)都高度依賴于MEMS參數(shù)。因此為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的傳感器，強(qiáng)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(jì)方法，而不是針對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的MEM再進(jìn)行ASIC設(shè)計(jì)。