CMOS MEMS加速度计研究及低噪声检测电路集成设计

摘要

MEMS电容式加速度计具有功耗低、体积小、可靠性高等优势，类型主要有：体硅加速度计，表面多晶硅加速度计和CMOS MEMS加速度计等。其中CMOSMEMS加速度计因具有其易于实现单片集成、易于降低加工成本和互连寄生参数等优势，成为最具市场前景的加速度计产品。但是CMOS MEMS加速度计存在电容灵敏度低、结构失调、性能参数漂移等问题，这使其检测系统设计成为巨大的挑战。
　　 本文设计了一款能检测10-4-10-3fF量级电容变化的低噪声开环结构检测电路。首先，建立了用于系统仿真的CMOS MEMS加速度计的行为级模型。之后，通过分析检测端存在的主要噪声源，提出了检测端电容匹配设计来实现噪声最小化。本文设计的检测电路采用连续时间电压模式电容检测电路结构，运用斩波稳定技术降低器件噪声、消除电路失调。检测电路的核心是一个两级三输入差动差分放大器(DDA)，其中第一级作为缓冲级，用于实现噪声优化；第二级是主增益级，用于提供增益和带宽。该放大器通过两个辅助输入端来实现直流/交流失调补偿。为了稳定DDA放大器在开环结构下输入端的直流偏置，本文设计中将一周期性重置电路连接到检测电路检测端。
　　 最后，本文采用华润上华0.5um CMOS数模混合工艺，完成了电容灵敏度仅为0.1fF×4/g的CMU CMOS MEMS加速度计开环检测电路设计，并结合加速度计行为级模型对检测系统进行了仿真。仿真结果显示在调制信号幅值为0.1v时，系统能检测10-3fF量级的电容，相应的总检测灵敏度为205mV/g，分辨率为0.01g，有效检量程为0-10g，总误差低于5.5％，在0-6g误差小于1％。通过改变调制信号的幅值，可以调整该检测系统的分辨率。当调制信号幅值为1V时，系统能检测10-4fF量级的电容变化，总检测灵敏度为2.05V/g，分辨率为1mg，有效检量程为0-1g，分辨率达到商用加速度计的要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 MEMS电容式加速度计研究背景

1.2 MEMS电容式加速度计研究现状

1.3本文的主要工作和内容安排

第二章 CMOS MEMS加速度计建模

2.1 CMOS MEMS工艺主要流程

2.2 CMOS MEMS加速度计设计

2.2.1 CMOS MEMS加速度计结构

2.2.2 CMOS MEMS微结构弯曲匹配方法

2.2.3加速度检测原理

2.2.4弹簧设计

2.2.5阻尼和布朗噪声

2.3电容检测和静电执行

2.3.1 CMOS MEMS加速度计的电容模型

2.3.2电容检测原理和加速度计灵敏度模型

2.3.3静电执行机构

2.3.4静电致弹簧软化现象

2.4 CMOS MEMS加速度计行为级模型

2.5本章小结

第三章 CMOS MEMS加速度计检测电路噪声及非线性因素分析

3.1检测电路噪声分析

3.1.1检测电路噪声源分析

3.1.2检测电路总噪声

3.1.3检测电路1/f噪声和热噪声优化

3.1.4检测电路热噪声优化

3.2电容检测电路结构和噪声叠加

3.2.1电容检测电路结构

3.2.2噪声性能分析和比较

3.3检测电路和加速度计失调

3.3.1检测电路失调

3.3.2加速度计失调

3.4电容式加速度计噪声电荷

3.5本章小结

第四章 检测电路设计

4.1检测电路系统设计

4.1.1电路结构

4.1.2斩波稳定

4.1.3总体结构设计

4.2调制电路与输入端偏置电路及数字控制电路设计

4.3差动差分放大器设计

4.3.1输入级设计

4.3.2主放大器设计

4.3.3直流失调补偿设计

4.3.4共模反馈设计

4.3.5偏置电路设计

4.4时钟振荡器设计

4.5系统仿真结果

4.6本章小结

4.7附录 系统仿真结果图

第五章 总结

5.1本文成果

5.2未来研究方向

致谢

参考文献

研究成果