一款高精度高线性度MEMS加速度计的研究与设计

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微机械加速度计是一种广泛应用于消费电子、汽车安全和军事国防等领域的核心部件,具有广泛的市场应用前景。其中电容式闭环加速度计,由于线性度高、动态范围大、结构简单等优点而成为当今研究的热点。本文基于五极板MEMS电容式加速度传感器进行闭环连续型加速度计读出电路研究与设计,其主要指标为:输入信号范围为±30g,信号带宽为1KHz,线性度要求小于0.1%,最小加速度检测分辨率为1mg。本文采用自上而下的流程对读出电路进行设计:首先根据对电容式加速度MEMS传感器工作原理进行分析并为其建模,在模型的设计中,引入静电力对传感器的影响,这为后续闭环加速度检测系统设计提供必要的帮助;其次通过对模型的仿真与分析,考虑模型自身的非线性,确定本设计采用闭环加速度检测系统;然后提出本设计采用闭环加速度检测系统的基本结构,通过对闭环加速度检测系统工作原理的分析,完善闭环加速度检测系统所需结构的设计,提出闭环加速度检测系统完整的解决方案并通过构建行为级模型,对其进行相应仿真及功能性验证;最后,对所提出的闭环加速度检测系统中各个模块进行具体的电路设计与实现,并进行相应的版图设计、验证、后仿真以及流片。通过对传感器工作原理的分析,制约系统线性度的主要瓶颈在于加速度传感器自身,设计采用闭环检测结构来提高系统线性度;针对闭环带有反馈的加速度检测系统中存在稳定性问题的分析,设计通过引入PD控制器进行稳定性补偿;通过各级对整个检测系统输出噪声贡献的分析,调节各级间增益的分配实现噪声的优化,并且结合本设计,设计了一种降低读出电路引入噪声的方法,从而提高系统输出精度。加速度计读出电路部分后仿真结果表明:检测加速度量程为±30g,对应的输出电压范围为0.37V-2.93V;对系统输出进行噪声仿真,等效输入噪声为0.2mg,等效输入信躁比SNR为106dB;最小分辨率为1mg,输出分辨率为43.6μV/mg,输入检测动态范围为96dB。本文着眼于连续型闭环加速度计读出电路的设计,从最初的系统结构的选取到最后的电路具体实现的每一步都进行了详细的分析,对于其他闭环加速度计读出电路设计提供一定的借鉴意义。
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