一种MEMS电容式加速度传感器接口集成电路的设计

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受工艺技术的限制,国内MEMS加速度计,尤其是有工业和军事应用需求的高精度大动态范围的加速度计,目前主要还处于传感器和信号处理接口电路分开加工的阶段。传感器一般基于体硅工艺加工,接口电路则采用更通用的表面硅工艺加工,通过二次集成技术(PCB或者厚薄膜混合集成技术)组装在一起构成完整的加速度计。由于MEMS传感器尺寸小,输出信号微弱,接口电路必须具有很高的信号检测灵敏度和较高的集成度(以配合传感器减小尺寸)。提高信号检测灵敏度一般需采用锁相放大技术,即把信号调制在某高频信号上进行传输处理,以避开难以处理的直流漂移和低频噪声干扰问题,最终信号通过同步解调还原得到。MEMS差分电容式加速度计一般采用两种电路拓扑结构,一种为开环结构,具有很好的鲁棒性但是线性动态范围较差;一种为闭环力反馈结构,具有更好的线性动态范围,但是电路结构相对复杂并需要小心稳定性问题。本文针对一种基于体硅工艺加工的差分电容式加速度传感器设计了一款单片集成的接口电路,一片该电路配合一只加速度传感器可以组成一个完整的一维的闭环力反馈结构差分电容式加速度计,无需其他有源器件。本文主要内容为:1.研究分析了电容式加速度检测系统的工作原理、差分电容式加速度传感器的物理模型、传感器相关特性的的数学描述、闭环力反馈结构差分电容式加速度计系统原理、组成电路模块。2.重点介绍了基于双极工艺的闭环力反馈结构差分电容式加速度计的接口电路设计实现思路、电路结构的设计及工作原理。3.给出了单片接口集成电路的版图设计实现及设计要点分析。4.最好给出了接口电路的流片测试结果,包括独立参数测试和配合传感器组成加速度计的测试情况,并作分析对比。
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