微机械式惯性传感器已经成为许多消费产品的重要组成之一,如手持式行动终端、照相机和游戏控制器等。此外,微机械式惯性传感器也广泛地用于工业中的振动监测、汽车安全和稳定性控制以及导航领域。一般来说,微型传感器可以是压电式、压阻式或电容式传感器。其中,电容式传感器的高热稳定性和高灵敏度使其对于种类广泛的应用来说更具吸引力。 具数字读取功能的基本电容式传感器接口电路由电容到电压转换器(C/V),以及随后的模拟数字转换器(A/D)和信号调节电路组成。以开环配置(无反馈信号)执行这种传感器可形成相对简单的系统,这种系统本身就比较稳定。尽管如此,开环作业时的系统对于MEMS参数非常敏感。此外,整个系统的线性度受到传感器系统链中每个模块的线性度影响,而且C/V和A/D的动态范围要求可能更加严格。相反地,将MEMS传感器放在负反馈闭环中使用有许多好处,例如改善的带宽、对MEMS组件的工艺和温度变化具有较低的敏感性。此外,由于C/V只需处理误差信号,与开环作业方式相比,C/V动态范围和线性指针较宽。因此,为了确保系统的稳定性,正确设计反馈环路就显得非常重要。 在电容式传感器中,反馈信号以电容激励电极上的电压信号形式施加到MEMS。这个施加的电压将产生一个静电力并作用到MEMS上。因此最终形成的系统被称为力反馈系统。然而,电容有一个二次的电压比力关系,它会限制系统的线性度。 克服电压比力(V/F)二次关系负担的一种方法是以差分方式施加激励信号,以便抵销二次项。然而,这种技术要求正负电压值,这将增加传感器接口ASIC的复杂性。更重要的是,差分工作所需的两个激励电容如果不匹配会导致激励二次项不能完全抵销,因此电容不匹配将限制系统可实现的性能。 其中Fin(s)是输入的力(在使用陀螺仪时是柯氏力作用,在使用加速度计时是由于输入加速产生的力)。x(s)是传感器质量块对应输入力的位移。m是质量块的质量,D是阻尼系数,k是弹簧常数(刚度)。 但是在像Σ-Δ环路中那样的动态电压激励情况下,上述表达式不能精确地表现Vp的实际值。在基于Σ-Δ的传感器中,MEMS用作环路滤波器,会形成一个二阶电子-机械式Σ-Δ系统。 将MEMS导入Σ-Δ环路可能提高阶数,并进一步抑制量化噪声。图2显示基于Σ-Δ的传感器架构,其中MEMS与特殊应用整合电路(ASIC)连接在一起组成一个完整的传感器。该系统还整合了一个额外的Hcomp模块,用于补偿环路并保持其稳定性。 MEMS间隙距离(X0)是系统能否实现低噪声作业的一个关键参数。减小X0会产生更高的Cd和Kx/c,并因此增加MEMS前向增益(灵敏度)。高灵敏度可减少ASIC噪声对以传感器输入为参考的噪声影响。另一方面,MEMS的布朗噪声功率与阻尼系数(D)直接成正比。整体传感器噪声由MEMS噪声和ASIC噪声组成。可根据传感器总体目标性能、MEMS灵敏度和阻尼系数估计最大可容忍的ASIC噪声值。应该注意的是,可以达到的最小X0受MEMS技术的限制。X0值对最大输入范围的影响,取决于激励电压(VACT)是否受限于MEMS的吸合电压。如果VACT受吸合电压的限制,那么减小X0将导致允许的最大输入信号范围减小。如果VACT不受吸合电压的限制,那么X0的减小和激励电容(Ca)及KV/F的改进可形成更高的反馈力,最终形成更大的输入范围。 MEMS单元的刚度(k)是一个重要的系统设计参数,因为它可以在MEMS单元中得到很好的控制,不像X0,其最小值受MEMS技术的限制。假设ASIC噪声主导传感器噪声,那么可实现的最大动态范围(VACT设为吸合之前的最大允许值)将独立于一阶k值。这是因为增加k不仅会降低MEMS灵敏度,增加以传感器输入为参考的ASIC噪声,而且也会使反馈力增加同样的数量,因为这种方法允许在更高的VACT时工作。 在MEMS噪声主导传感器性能的情况下,应增加k值,以便支持更大的动态范围。而在工作不受吸合限制的情况下,最好是减小k值,从而提高MEMS灵敏度,减小ASIC噪声对传感器噪声的影响。需要注意的是,k值会改变MEMS单元的谐振频率。在开环传感器中,谐振频率设定了传感器带宽的上限,而对闭环系统来说不是这样。因此k值可根据动态范围和噪声要求进行设置。 |
|
来自: BGND > 《传感器与集成电路》