CMOS兼容风速风向传感器控制和检测电路的研究

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1、东南大学硕士学位论文摘要利用成熟的集成电路(IC)CMOS工艺及其新近发展的MEMS工艺能够在硅片上利用后处理制作各种机械结构，并为传感器和处理电路的片上集成，实现最终的片上系统(SOC)提供了现实依据。CMOs兼容硅热流量风速风向传感器利用成熟的cM0s工艺而实现传感器的低成本，同时能够通过片上控制电路和微弱信号测量电路与传感器结构的集成而可能实现智能化的传感器。基于硅的传感器灵敏度非常低，输出信号极其微弱，所有这些弱点都必须通过片上集成电路来弥补。本文针对传感器的工作原理，详细分析并设计了传感器的控制电路和传感器的微弱信号检测电路。本文采用的传感器是本实

2、验室设计的采用温差型的测量原理，采用某种控制，将传感器表面加热，使之高于环境一定温度，通过测量风向对称点处由于风速的影响而产生的片上温差而得到风速和风向的信息。在控制电路设计中，主要讨论了三种模式，分别是恒功率模式，恒温差模式和温度平衡模式，针对传感器的结构和性能要求进行了恒温差控制电路的设计，在风速的测量范围内，通过闭环控制保持芯片温度高于环境温度设定值。通过仿真电路能够实现设计的功能。鉴于传感器采用热堆测量温差，输出信号为非常微弱的低频信号(在微伏量级)，一般的CMOS工艺放大器由于严重的失调和噪声(特别是1／f噪声)而无法胜任，需要设计片上低失调低噪声

3、放大器，本文分析了现在两种主要的低失调低噪声电路技术(分别为自动补偿Auto—zero和斩波Chopping)对失调和噪声的影响，具体针对传感器的信号要求进行了斩波放大电路的调制，预放，带通选择放大器，电压跟随和解调等各个部分的设计，电路使用Hspice进行了仿真优化，达到了微伏量级的残余失调和70n矿／√胁输入等效噪声PSD。设计的电路经过5／．anP阱标准CMOS工艺流片。流片的电路进行了测试，并分析了存在的不足而改进了设计，进一步投入流水。本文同时还使用PCB构建版级控制和测量电路，传感器经过风洞测试，达到了23m／s的测量范围，并且360度内方向敏感

4、，进一步证明了控制和信号检测方案的可行性。同时，芯片的流片也为实验室的片上电路集成进行了有益的探索，取得了宝贵的经验。关键词：CMOS工艺兼容风速计，恒温差控制，低失调低噪声放大器，斩波放大器东南大学硕士学位论文ABSTRACTWithCMOSintegratedcircuitsprocessesandthenewlydevelopedMEMSprocesses，manymechanica】structarescanbemadeinsiliconsubstrates．Thisproducednewfieldsforthedesignofthesensors．

5、Itispossibletorealizetheso—calledSOC(SystemOnaChip)byintegratingsensolswiththeprocessingcircuitsinonesubstrate．CMOSsiliconthermalflowsensorwimCMOSprocessesisverycheap．Integratingthecontrollingandsignalprocessingcircuitswiththesensorstructureinonesubstratecanrealizesmartwindsensor．T

6、hesensorsbasedonsiliconhaveverylowsensitivityandtheoutputsignalsareultraweak．Alltheseweaknessesshouldbemakeupbythecircuitsonthesamechip．／nthisthesis，accordingtotheoperationalprincipleofthesensor，thecontrollingandsignalprocessingcircuitsweredesignedtomeattherequirementofthesensor．Th

7、eoperationalprincipleinthisthesisisbasedontemperaturedifference．Under∞mekindofcontrolling．thesurfaceofthesensorisheatedabovetheellvironment，Theinfofnlationofthewindveloeityanddirectioncarlbeobtainedbymeasuringthetemperaturedifferencebetweentwopointssymmetricallylocatedonthesurfaceo

8、fthesensor．Inthechapteroft