内容简介
《MEMS惯性传感器接口芯片集成技术》内容主要是MEMS惯性传感器接口电路相关知识。《MEMS惯性传感器接口芯片集成技术》简要介绍了MEMS惯性传感器分类和发展过程及趋势，分析了陀螺、加速度计等核心MEMS惯性传感器的工作原理，论述了多种典型传感器接口专用集成电路的原理、设计及应用，阐述了MEMS惯性传感器接口电路中的降噪、控制和补偿等关键技术，结合作者研究经验列举了典型的设计实例并给予深入的剖析和总结。
精彩书摘
第1章MEMS惯性传感器工作原理
1.1MEMS加速度计工作原理
微加速度计是微机电系统（microelectromechanical system，MEMS）的重要组成部分，按照材料分类，主要分为石英加速度计和硅微加速度计。20世纪80年代初，随着以硅材料为基础的新型加速度计问世，硅微加速度计以其优良的力学和电气性能，不断引起科学研究人员的关注和重视，已经成为MEMS加速度计主要的发展方向。微机械加工技术越来越成熟，这也使得加速度计的微型化、集成化和高灵敏度有了实现的可能。集成加速度计已成为加速度传感器技术的重要研究方向。随着科学界对加速度计相关研究的深入，可以预见，在不久的将来，硅微加速度计将在传感器市场中占主导地位。
微加速度计的应用领域十分广泛。*早，微加速度计被应用于安防领域，比如汽车报警器中。近年来，微加速度计也开始应用到工业和航天技术等领域，如飞机（包括直升机）、船舶及车辆用的稳定控制系统，摄像机和照相机中的稳像装置，机器状态监测、振动和冲击检测、倾斜传感、运动检测、地震检测、重力测量、惯性导航系统，以及导弹、灵巧炮弹及炸弹、核潜艇、航天器等。
常用硅微加速度计的结构和工作原理如图1.1所示。其通常由一个悬臂梁和一个质量块构成，梁的一端固定，另一端悬挂着一个质量块。没有加速度的时候，质量块不运动，而当在某一个方向产生加速度时，质量块向此方向运动[1]。通过不同的检测方式，比如电容、热、机械等，可以得到质量块的运动位移，由于位移与加速度存在一定的关系，知道位移就可以获得加速度信息。
通过以上分析可知，微加速度计和传统加速度计一样，也是将外界产生的加速度信号转换为电信号，其能量传送方式、测量原理以及设计理论等与传统加速度计并无差异。而二者的区别主要是体现在几何尺寸上。硅微加速度计采用微机械加工技术制作，具有体积小、质量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化的特点。微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，所以其***很高。传统加速度计一般采用分离器件制作其信号读出电路，而微加速度计需要采用芯片级集成化的接口电路来实现其微型化、批量化、低成本。在微加速度接口电路中，压阻式和电容式加速度计接口电路开发得较早，是硅微加速度计接口电路发展的主流，也是较为常见的两种类型。
1.1.1电容式加速度计工作原理
电容式加速度计是一种十分常见的加速度计类型，其具有如下一些优点：灵敏度和测量精度高、稳定性好、温度漂移（简称为温漂）小、功耗低、过载保护能力好、便于利用静电自检。它的基本原理是，在外界产生加速度时，惯性质量块与检测电极间的狭小空隙发生改变，从而引起等效电容的变化，并据此进行加速度的测量。
电容式加速度计的敏感结构主要包括三个部分：惯性质量以及与惯性质量一体的活动电容极板、固定电容极板以及两者之间的弹性连接部分（其作用为在不感受加速度时敏感质量回到零位）。
电容式加速度计的敏感结构是由弹性梁和惯性质量组成的转换系统，可以等效成由质量块、弹簧组成的单自由度二阶阻尼振动系统，利用系统在低频区的线性频率响应实现对被测参量——加速度的测量。加速度传感器的机械系统原理如图1.2所示。
图1.2中，m为质量块质量，R为阻尼系数，k为弹性系数，y为质量块移动距离，z为结构移动距离，a为外界加速度。根据牛顿第二定律可建立振动微分方程：
（1.1）
式（1.1）可化成
（1.2）
将式（1.2）进行拉普拉斯变换：
（1.3）
（1.4）
式中，为加速度的拉普拉斯变换。
Xs为位移的拉普拉斯变换；
当s.j 0时，可得到微加速度计的机械静态灵敏度：
（1.5）
式中，.为角速度；.0.
为固有谐振频率。
由式（1.5）可知，灵敏度和谐振频率之间呈反相关的关系。降低加速度计的谐振频率，可提高加速度计灵敏度。如果想要降低加速度计的谐振频率，可以通过减小弹性系数和增加质量块的质量来实现。当然，加速度计的谐振频率并不能无限制降低，其下限受到很多因素的限制，例如弹性系数太小，容易发生吸附现象，会造成系统不稳定。
电容式加速度计敏感结构一般采用表面微机械加工技术和体硅微机械加工技术制作。与体硅工艺相比，表面工艺制造成本低，可以与接口电路集成在同一芯片上，但是噪声大。亚德诺半导体技术有限公司（ADI公司）的多款加速度传感器是采用*典型的表面微机械加工技术制作的。图1.3为ADI公司的ADXL50、ADXL202敏感结构，都采用表面工艺制作。
采用体硅工艺制作的敏感结构体积较大，可以实现极低的机械噪声，但与表面硅工艺的集成电路加工无法兼容。因此，通过体硅工艺制作的传感器只能采用双片集成的方式。图1.4为2005年密歇根大
目录
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前言
第1章 MEMS惯性传感器工作原理 1
1.1 MEMS加速度计工作原理 1
1.1.1 电容式加速度计工作原理 2
1.1.2 压阻式加速度计工作原理 7
1.1.3 压电式加速度计工作原理 9
1.1.4 谐振式加速度计工作原理 13
1.2 MEMS陀螺工作原理 20
1.2.1 微机械陀螺模型 22
1.2.2 石英陀螺工作原理 25
1.2.3 静电驱动电容式微机械陀螺工作原理 29
参考文献 38
第2章 MEMS惯性传感器接口集成电路工作原理 39
2.1 MEMS加速度计接口ASIC方案 39
2.1.1 敏感电容读出方案 39
2.1.2 开环检测方案 42
2.1.3 闭环检测方案 46
2.1.4 机电sigma-delta检测方案 51
2.2 MEMS陀螺接口ASIC原理 57
2.2.1 石英陀螺接口ASIC原理 57
2.2.2 硅陀螺接口ASIC原理 60
参考文献 103
第3章 MEMS惯性传感器接口电路集成通用关键技术 105
3.1 MEMS惯性传感器噪声抑制技术 105
3.1.1 相敏解调技术 105
3.1.2 相关双采样技术 110
3.1.3 斩波稳定技术 114
3.2 MEMS惯性传感器数字化技术 115
3.2.1 高精度模数转换技术 115
3.2.2 机电sigma-delta数字化技术 131
3.3 MEMS惯性传感器非理想特性补偿技术 135
3.3.1 机械结构温度特性模型 135
3.3.2 温度补偿方法 143
3.3.3 低温漂接口电路设计 147
参考文献 148
第4章 MEMS惯性传感器接口集成电路专用关键技术 150
4.1 MEMS陀螺驱动相位、幅值控制技术 150
4.2 MEMS陀螺闭环检测和模态匹配技术 162
4.2.1 闭环检测技术 162
4.2.2 模态匹配技术 163
4.3 MEMS加速度计性能自检测方法 168
4.3.1 闭环零位漂移机理分析 168
4.3.2 闭环零位漂移在线自检测方法 172
4.4 MEMS惯性传感器电压检测纹波抑制技术 175
4.4.1 连续时间纹波抑制技术 175
4.4.2 自动校正回路纹波消除技术 179
参考文献 183
第5章 MEMS惯性传感器接口集成电路设计实例 185
5.1 MEMS加速度计接口电路设计实例 185
5.1.1 机械结构等效电学模型 185
5.1.2 接口电路设计 186
5.1.3 加速度计系统仿真 202
5.1.4 版图设计 205
5.2 MEMS陀螺接口集成电路设计实例 208
5.3 石英陀螺接口集成电路设计实例 217
5.3.1 前级电荷放大器参数优化设计 217
5.3.2 自动增益控制电路设计 220
5.3.3 跨阻放大器设计 220
参考文献 222
试读
第1章MEMS惯性传感器工作原理
1.1MEMS加速度计工作原理
微加速度计是微机电系统（microelectromechanical system，MEMS）的重要组成部分，按照材料分类，主要分为石英加速度计和硅微加速度计。20世纪80年代初，随着以硅材料为基础的新型加速度计问世，硅微加速度计以其优良的力学和电气性能，不断引起科学研究人员的关注和重视，已经成为MEMS加速度计主要的发展方向。微机械加工技术越来越成熟，这也使得加速度计的微型化、集成化和高灵敏度有了实现的可能。集成加速度计已成为加速度传感器技术的重要研究方向。随着科学界对加速度计相关研究的深入，可以预见，在不久的将来，硅微加速度计将在传感器市场中占主导地位。
微加速度计的应用领域十分广泛。*早，微加速度计被应用于安防领域，比如汽车报警器中。近年来，微加速度计也开始应用到工业和航天技术等领域，如飞机（包括直升机）、船舶及车辆用的稳定控制系统，摄像机和照相机中的稳像装置，机器状态监测、振动和冲击检测、倾斜传感、运动检测、地震检测、重力测量、惯性导航系统，以及导弹、灵巧炮弹及炸弹、核潜艇、航天器等。
常用硅微加速度计的结构和工作原理如图1.1所示。其通常由一个悬臂梁和一个质量块构成，梁的一端固定，另一端悬挂着一个质量块。没有加速度的时候，质量块不运动，而当在某一个方向产生加速度时，质量块向此方向运动[1]。通过不同的检测方式，比如电容、热、机械等，可以得到质量块的运动位移，由于位移与加速度存在一定的关系，知道位移就可以获得加速度信息。
通过以上分析可知，微加速度计和传统加速度计一样，也是将外界产生的加速度信号转换为电信号，其能量传送方式、测量原理以及设计理论等与传统加速度计并无差异。而二者的区别主要是体现在几何尺寸上。硅微加速度计采用微机械加工技术制作，具有体积小、质量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化的特点。微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，所以其***很高。传统加速度计一般采用分离器件制作其信号读出电路，而微加速度计需要采用芯片级集成化的接口电路来实现其微型化、批量化、低成本。在微加速度接口电路中，压阻式和电容式加速度计接口电路开发得较早，是硅微加速度计接口电路发展的主流，也是较为常见的两种类型。
1.1.1电容式加速度计工作原理
电容式加速度计是一种十分常见的加速度计类型，其具有如下一些优点：灵敏度和测量精度高、稳定性好、温度漂移（简称为温漂）小、功耗低、过载保护能力好、便于利用静电自检。它的基本原理是，在外界产生加速度时，惯性质量块与检测电极间的狭小空隙发生改变，从而引起等效电容的变化，并据此进行加速度的测量。
电容式加速度计的敏感结构主要包括三个部分：惯性质量以及与惯性质量一体的活动电容极板、固定电容极板以及两者之间的弹性连接部分（其作用为在不感受加速度时敏感质量回到零位）。
电容式加速度计的敏感结构是由弹性梁和惯性质量组成的转换系统，可以等效成由质量块、弹簧组成的单自由度二阶阻尼振动系统，利用系统在低频区的线性频率响应实现对被测参量——加速度的测量。加速度传感器的机械系统原理如图1.2所示。
图1.2中，m为质量块质量，R为阻尼系数，k为弹性系数，y为质量块移动距离，z为结构移动距离，a为外界加速度。根据牛顿第二定律可建立振动微分方程：
（1.1）
式（1.1）可化成
（1.2）
将式（1.2）进行拉普拉斯变换：
（1.3）
（1.4）
式中，为加速度的拉普拉斯变换。
Xs为位移的拉普拉斯变换；
当s.j 0时，可得到微加速度计的机械静态灵敏度：
（1.5）
式中，.为角速度；.0.
为固有谐振频率。
由式（1.5）可知，灵敏度和谐振频率之间呈反相关的关系。降低加速度计的谐振频率，可提高加速度计灵敏度。如果想要降低加速度计的谐振频率，可以通过减小弹性系数和增加质量块的质量来实现。当然，加速度计的谐振频率并不能无限制降低，其下限受到很多因素的限制，例如弹性系数太小，容易发生吸附现象，会造成系统不稳定。
电容式加速度计敏感结构一般采用表面微机械加工技术和体硅微机械加工技术制作。与体硅工艺相比，表面工艺制造成本低，可以与接口电路集成在同一芯片上，但是噪声大。亚德诺半导体技术有限公司（ADI公司）的多款加速度传感器是采用*典型的表面微机械加工技术制作的。图1.3为ADI公司的ADXL50、ADXL202敏感结构，都采用表面工艺制作。
采用体硅工艺制作的敏感结构体积较大，可以实现极低的机械噪声，但与表面硅工艺的集成电路加工无法兼容。因此，通过体硅工艺制作的传感器只能采用双片集成的方式。图1.4为2005年密歇根大
