基于cmos工艺的mems陀螺仪接口电路设计

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1、第1章绪论1．1课题研究背景惯性传感器包括加速度传感器和角速度传感器，其中加速度传感器用于测量相对于某一参考系的加速度，角速度传感器用于测量相对于某一参考轴的角速度。惯性传感器被广泛应用于航空、军事、汽车、生物医学等领域，以及众多消费电子产品中【11。传统的惯性传感器虽然也可以达到很高的精度，但是有诸多缺点，如体积和功耗大、价格昂贵等。因此，传统的惯性传感器的应用受到了很大的局限，大多只是应用于航空和军事等成本和功耗属于次要考虑的领域。然而现代汽车、生物医学和消费电子等领域，需要大量低功耗、低成本、小体积同时性能满足要求的惯性传感器，微机电系统(Micro-electr

2、o-mechanicalSystems，MEMS)惯性传感器的出现正好满足了这一需求。MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器，与传统的传感器相比，它在成本、功耗、体积、重量和可靠性方面均具有极大的优势，且易于集成，适于批量生产，可实现智能化。传统的角速度测量方式是使用陀螺仪，陀螺仪是一种基于角动量守恒原理制成的机械装置，体积和重量比较大，主要是由一个位于轴心的可绕对称轴高速旋转的转子构成。MEMS陀螺仪是通过化学腐蚀的方法，在基体材料上刻蚀出一个可以转动或振动的转子，通过科里奥利效应(Corioliseffect)来测量物体角速度。由于MEMS技术的高速发展

3、，近年来MEMS陀螺仪的研究取得了长足的进步，MEMS陀螺仪在航空、航天、航海、汽车、生物医学和环境监控等领域得到了广泛的应用，如机器人与汽车导航、飞机的姿态航向参考系统(AHRS)、船舶导航、航天定位、无人机、照／摄相机增加图像稳定性、智能手机、汽车中的底盘控制系统和安全制动系统等12J。由于MEMS陀螺仪的输出角速度信号小，噪声大，如何在强噪声环境中提取出角速度信号成为MEMS陀螺仪能否可靠的检测出角速度的关键点之一。传统分立元件接口电路体积较大，且寄生参数易受外部干扰较难控制，因此对微弱信号的高精度处理比较困难。而单片集成的接口电路可以大幅地降低外部干扰和寄生效应

4、，同时还解决了芯片间互连所引发的可靠性问题，成为实现MEMS陀螺仪接口电路的主流趋势。1．2发展动态以及国内外研究现状从20世纪80年代末开始，国内外已经有众多科研机构相继对MEMS陀螺仪展开了研究，并取得了大量科研成果。其中有的科研机构着重研究了MEMS陀螺仪的实现，有的着重研究了MEMS陀螺仪接口电路实现方法，还有的对MEMS陀螺仪与其接口电路单片集成的系统进行了深入研究。东南大学硕士学位论文1991年，美国德雷珀实验室(TheCharlesStarkDraperLaboratory)的EGreiff等首次实现了可批量制备的硅基MEMS陀螺仪，该MEMS陀螺仪采用内

5、、外框架式结构，实现了与进行信号处理的集成电路工艺兼容，1-Hz带宽的角速度分辨能力达到4deg／s[31。在1993年，该实验室又首次成功研制出一种音叉式线性振动陀螺仪，其性能可达战术级要求【410加州大学伯克利分校的伯克利传感器和驱动器中心(BerkeleySensorsandActuatorsCenter,BSAC)是进行MEMS陀螺仪研究的主要研究机构之一，该中心主要致力于研究基于EA环路的数字反馈式微机械加速度和角速度传感器。该中心最早发表的MEMS陀螺仪系统由ClarkandJuneau完成【5】【6】，系统中分别包含一个表面微机械系统z轴陀螺仪和一个x／y

6、轴陀螺仪。2002年，Seshia采用多晶硅微机械工艺实现了单片集成Z轴MEMS陀螺仪【7】，同时Jiang也进行了两方面的研究，一是横向驱动和检测的z轴微机械陀螺仪IS]，一是x／y轴信号检测的微机械陀螺仪[91，这两种微机械陀螺仪都是多晶硅表面微机械结构、电容式驱动和信号检测，并且接口电路和微机械陀螺仪单片集成。赫尔辛基理工大学微电子电路设计实验室(ElectronicCircuitDesignLaboratory,HelsinkiUniversityofTechnology)的Aaltonen发表了一种电容式微机械陀螺仪接口电路【101，采用伪连续时间技术，与传统

7、需要大的RC时间常数的连续时间接口电路相比节约了可观的芯片面积。该方案采用0．35pmHVCMOS工艺，通过两个正交微机械陀螺仪，可检测两个轴的信号。卡耐基梅隆大学的Wu等对电容式MEMS加速度传感器接口电路的斩波稳定技术进行了研究，并利用该技术设计了一种低噪声低失调放大器【111，电路采用CMOSMEMS工艺制作，为连续时间工作方式。设计放大器中晶体管尺寸时考虑了晶体管寄生电容与传感器寄生电容间的匹配，以最小化传感器底噪，提高传感器分辨率。ADI公司(AnalogDevicesInc．)已有一系列MEMS陀螺仪产品问世，如ADXRSl5