飞法级MEMS电容型传感器读出技术研究

发布时间：2020-04-21 19:32

【摘要】：高集成度需求持续驱动制造集成电路的CMOS工艺以及制造传感器敏感单元的MEMS工艺不断地推进尺寸缩微(Scaling-down),以将MEMS传感器应用于成本、功耗和空间要求极其苛刻的物联网(IoT)领域。然而,在传感器的MEMS工艺特征尺寸缩微到微米(10~(-6)m)级别后遇上了巨大的性能瓶颈。这是因为传感器的电容变化量随着工艺尺寸缩微以五阶速率衰减(-100dB/dec),而产生的干扰的寄生电容量却随着工艺尺寸缩微以仅仅二阶速率衰减(-40dB/dec)。这就造成了当传感器的电容变化量缩微到飞法级别(10~(-15)F)后,寄生电容的干扰变得十分严重,采用传统读出技术无法再满足IoT设备的精度与功耗要求。而现代CMOS工艺的缩微带来的信号动态范围降低、器件本征增益降低以及漏电流干扰增加进一步加大了这一挑战。因此,本文针对尺寸缩微效应对飞法级MEMS电容型传感器系统的性能影响做了深入研究并针对性地提出了具体解决方案。本文主要的创新性成果如下:(1)提出了一项名为Oversampling Successive Approximation(OSA)的迭代读出技术来提高飞法级电容型传感器的读出精度。这包括以下工作。首先,针对性地分析了寄生电容对飞法级MEMS电容传感器系统造成的增益误差恶化现象。然后,提出OSA技术概念并实现了基于OSA技术的电容-电压变换器(OSA-CVC)以及基于OSA技术的积分器。再次,对OSA电路的精度和噪声性能做了详细分析。最后,对OSA-CVC进行了详细的电荷注入分析并给出了专用时钟驱动策略以进一步提升精度。(2)提出了一种基于OSA-CVC的MEMS电容型加速度计的高精度开环读出电路。这包括以下工作。首先,详细分析了本文提出的开环读出电路中碰上的五个降低系统精度和稳定时间的关键非理想特征:保持误差、恢复退化、增量退化、上升沿退化和电荷注入。接下来,给出了这些问题的相应解决方案。所提出的读出电路采用商用0.18-μm BCD工艺制造,传统读出电路也被重现并使用相同的工艺制造以进行对比。最后,实验结果表明,相比传统的开环读出电路,所提出的基于OSA-CVC的读出电路减少共模寄生电容对精度的影响达到23.8 dB,降低功耗69.3%,并降低芯片面积50%。该研究成果发表在了IEEE JSSC期刊上。(3)提出一种基于OSA-CVC和OSA积分器的MEMS电容型加速度计的闭环三阶Sigma-Delta读出电路。这包括以下工作。首先,建立了基于力反馈读出技术(Force feedback readout)的闭环加速度计读出电路系统模型。然后,通过使用OSA-CVC和OSA积分器来降低放大器的增益要求,从而降低了功耗和芯片面积。接下来,详细分析了在实际应用中闭环架构十分敏感的电荷注入和漏电流干扰,并给出了抑制干扰的解决方案。最后,所提出的闭环读出电路采用商业0.18um BCD工艺制造。实验结果表明,读出电路芯片的功耗低至0.5mW,采样率为9MHz,增益误差为0.07%,本底噪声为24ug/rtHz。该研究成果发表在了IEEE TCAS-I期刊上。(4)提出了MEFS抗干扰电容触摸技术并设计了MEFS-OSA抗干扰触摸传感系统。这包括以下工作。首先,提出基于物理尺寸区分手指和水滴的方法。由于手指的高度(10mm)远远大于水滴高度(1mm),因此将触摸面板上传感单元的电场投射在高空(高度10mm)而不是聚集在低空(高度1mm)中时触摸传感单元可以将手指与水滴干扰区分开来。接下来,为了实现这种高空电场投射,创新性的提出使用耦合电场成形(MEFS)技术来构建传感单元。MEFS传感单元将水滴的干扰转换为很大的共模寄生电容,这个共模寄生电容产生的信号干扰通过使用OSA读出技术来克服。最后,实验结果表明,对于所提出的MEFS-OSA触摸传感系统,当传感单元被水滴覆盖和被手指触摸的时候,系统输出分别为1.11V和1.23V。而对于传统触摸传感系统,当传感单元被水滴覆盖和被手指触摸的时候,系统输出分别为1.32V和1.33V。这表明MEFS传感单元和OSA读出电路的组合系统可以比传统系统方案更好的抵抗水滴的干扰。该研究成果发表在IEEE TCAS-I期刊上。总的来说,本文的主要创新工作在于提出了OSA读出技术,并且证实其能够在飞法级MEMS电容型传感器系统中发挥显著的降低增益误差、降低功耗以及提升共模寄生电容抗性的作用。
【图文】：

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西安电子科技大学博士学位论文作为语音识别技术的核心传感器，MEMS 电容型麦克风在近年来越来越受到学术界和商业界的关注[19]-[23]。如图 1.3 所示，，Yole 公司 2017 年的市场调研报告表明，麦克风的市场需求从2007年开始保持了10年的持续增长，并会在未来继续保持高速增长。

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西安电子科技大学博士学位论文作为语音识别技术的核心传感器，MEMS 电容型麦克风在近年来越来越受到学术界和商业界的关注[19]-[23]。如图 1.3 所示，Yole 公司 2017 年的市场调研报告表明，麦克风的市场需求从2007年开始保持了10年的持续增长，并会在未来继续保持高速增长。图 1.1 电容型触摸传感器在超薄显示屏中集成
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212

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