基于标准CMOS工艺的微电场传感器信号读取电路研究

论文摘要

MEMS微传感器信号读取电路是传感器领域与微电子领域的重要结合，本选题针对基于MEMS技术的微型传感器的微弱电流信号，对其CMOS读出电路以及与数字电路接口的关键技术进行了研究，为MEMS微传感器以及后续的微电子电路的单芯片集成打下了基础。以MEMS微型电场传感器为研究对象，分析了其输出信号的特点。从分析传感器工作原理入手，对于加单端激励和双端激励信号，建立了相应的传感器数学模型和等效电路，为深刻理解信号特点和设计后面的电路提供了指导。提出了用工作在线性区的长沟道晶体管作反馈电阻以及利用晶体管自身的交流阻抗来实现电流电压转换的方法。提出了一种直接数字化的峰值提取电路结构，该峰值提取电路只关注正弦波的峰值点，简化了采样保持的过程，利用电压—时间转换原理(或者说是电压—占空比转换原理)，该方案的分辨率与外加时钟的频率有关，因此可以很高。辅以数字逻辑电路，可以直接输出十位数字信号，避免了使用额外A／D转换器带来的功率和空间的消耗。以上设计电路采用新加坡Chartered半导体制造公司0.35μm 3.3V标准CMOS工艺流片并测试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 CMOS工艺技术
• 1.3 模拟集成电路设计流程
• 1.3.1 系统要求与电路设计
• 1.3.2 电路仿真
• 1.3.3 版图设计
• 1.3.4 DRC和 LVS
• 1.4 国内外研究情况
• 1.5 文章结构
• 第二章 MEMS电场传感器及其数学模型
• 2.1 MEMS技术
• 2.2 MEMS电场传感器简介
• 2.2.1 垂直振动式电场传感器
• 2.2.2 平行振动式微型电场传感器
• 2.2.3 交错振动式微型电场传感器
• 2.3 静电激振的平行振动式 MEMS微型电场传感器的数学模型和等效电路
• 0 cosωt'>2.3.1 加单端激励信号ν+ν₀cosωt
• 0 cosωt ν-ν₀ cosωt'>2.3.2 加双端激励信号ν+ν₀ cosωt ν-ν₀cosωt
• 2.4 模型的启发
• 第三章 跨阻放大器设计
• 3.1 微弱电流检测原理
• 3.2 电流检测常用方法
• 3.2.1 分立元件电路检测
• 3.2.2 CMOS集成检测方法
• 3.3 适用于交流电流信号的检测方法—集成跨阻放大器
• 3.3.1 工作在线性区的长沟道晶体管作为反馈电阻
• 3.3.2 利用晶体管自身的输出阻抗实现电流电压转换
• 第四章 峰值提取电路设计
• 4.1 峰值提取电路的整体结构图与仿真结果
• 4.1.1 常用峰值提取电路
• 4.1.2 直接数字化的峰值检测方法
• 4.2 峰值提取电路各个模块的具体实现方法
• 4.2.1 积分器
• 4.2.2 低通滤波器
• 4.2.3 运算放大器
• 4.2.4 比较器
• 4.2.5 数字逻辑
• 4.2.6 恒流源
• 4.3 版图设计
• 4.3.1 数字部分版图的设计
• 4.3.2 模拟部分版图的设计
• 4.3.3 版图设计的其他考虑
• 4.3.4 系统版图
• 第五章 芯片流片与测试
• 5.1 芯片及测试平台照片
• 5.2 测试结果
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文的主要工作
• 6.2 创新点
• 6.3 对今后工作的展望
• 参考文献
• 发表论文及申请专利
• 致谢