MEMS电容式加速度传感器检测电路研究

论文摘要

电容式传感器是将被测量的非电量变化转换为电容变化量的一类传感器。集成电路和微电子机械系统设计与加工技术的迅猛发展,使得MEMS传感器的研究和应用得到了极大的发展。MEMS电容式传感器作为微电子机械系统研究和制造领域重要的分支,具有体积小、易集成、低成本、可靠性高等优点,广泛应用于航空航天、工业自动化、汽车安全气囊等领域。本文分析了国内外传感器的典型形式,比较了各种MEMS电容测量电路的优缺点,针对MEMS电容式加速度传感器输出电容变化量小的特点,设计出了基于开关电容技术的电容检测电路系统及检测系统所需要的带隙基准电压源,自偏置基准电流源,振荡器等电路模块,并且对上述电路模块进行了优化。然后对各个模块和系统电路进行了仿真、修改、优化。证明了MEMS电容式加速度传感器检测电路系统的正确性和可行性。最后,介绍了Cadence版图设计和验证工具,并给出了MEMS电容式加速度传感器检测电路的版图设计和验证过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 MEMS 系统概述
• 1.2 MEMS 加速度传感器
• 1.2.1 MEMS 传感器
• 1.2.2 MEMS 加速度传感器类型
• 1.3 国内外研究进展
• 1.4 面临的主要问题
• 1.5 本文章节安排
• 第二章 MEMS 电容式加速度传感器检测原理及系统设计
• 2.1 MEMS 电容式传感器检测电路特点
• 2.2 MEMS 电容式加速度传感器基本原理
• 2.3 MEMS 电容类型
• 2.3.1 变间距式平行板电容结构
• 2.3.2 变面积式平行板电容结构
• 2.4 MEMS 电容测量方法
• 2.4.1 调频法
• 2.4.2 电桥法
• 2.4.3 差动脉冲调宽电路
• 2.4.4 电容分压式检测电路
• 2.4.5 双路载波调制型检测电路
• 2.4.6 开关电容检测电路
• 2.5 MEMS 电容式加速度传感器检测系统设计
• 2.5.1 开关电容
• 2.5.2 MEMS 电容式加速度传感器检测系统
• 2.6 本章小结
• 第三章 MEMS 电容式加速度传感器检测电路设计
• 3.1 自偏置恒流源与启动电路设计
• 3.1.1 常见偏置电路结构
• 3.1.2 改进偏置电路结构
• 3.1.3 偏置电路结构设计
• 3.1.4 启动电路设计
• 3.2 带隙基准电压源设计
• 3.2.1 带隙基准基本原理
• 3.2.2 带隙基准CMOS 工艺可行性
• 3.2.3 带隙基准设计
• 3.3 时钟振荡器设计
• 3.3.1 张弛振荡器基本概念
• 3.3.2 张弛振荡器电路结构设计
• 3.3.3 张弛振荡器工作原理
• 3.3.4 张弛振荡器单元设计
• 3.4 系统其它模块设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 检测电路仿真与分析
• 4.1 自偏置恒流源仿真
• 4.2 带隙基准仿真
• 4.3 振荡器仿真
• 4.4 运算放大器仿真
• 4.5 电路系统功能仿真
• 4.6 本章小结
• 第五章 版图设计及验证
• 5.1 版图设计工具简介
• 5.1.1 版图编辑工具
• 5.1.2 实时验证工具
• 5.2 版图设计步骤
• 5.3 设计规则
• 5.4 系统版图设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果