微機械式慣性傳感器已經(jīng)成為許多消費產(chǎn)品的一個組成部分，比如手持式移動終端、照相機和游戲控制器等。此外，微機械式慣性傳感器還被廣泛用于工業(yè)、汽車安全和穩(wěn)定控制以及導航領(lǐng)域中的振動監(jiān)測。一般來說，微型傳感器可以是壓電式、壓阻式或電容式傳感器。然而，電容式傳感的高熱穩(wěn)定性和高靈敏度使得它對種類廣泛的應(yīng)用來說更具吸引力。

 

帶數(shù)字讀取功能的基本的電容式傳感器接口電路由電容到電壓轉(zhuǎn)換器（C/V），以及隨后的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）和信號調(diào)節(jié)電路組成。以開環(huán)配置（沒有反饋信號）運行這種傳感器可以形成相對簡單的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)本身就比較穩(wěn)定。盡管如此，開環(huán)工作時的系統(tǒng)對MEMS參數(shù)會非常敏感。此外，整個系統(tǒng)的線性度受傳感器系統(tǒng)鏈中每個模塊的線性度影響，而且C/V和A/D的動態(tài)范圍要求可能會更加嚴格。相反，將MEMS傳感器放在負反饋閉環(huán)中使用有許多好處，例如改進的帶寬、對MEMS器件的工藝和溫度變化具有較低的敏感性。另外，由于C/V只需要處理誤差信號，與開環(huán)工作方式相比，C/V動態(tài)范圍和線性指標可以放寬。因此為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，正確設(shè)計反饋環(huán)路就顯得非常重要。

 

在電容式傳感器中，反饋信號以電容激勵電極上的電壓信號形式施加到MEMS。這個施加的電壓將產(chǎn)生一個靜電力并作用到MEMS質(zhì)量塊上。因此最終形成的系統(tǒng)被稱為力反饋系統(tǒng)。然而，電容有一個二次的電壓比力關(guān)系，它會限制系統(tǒng)的線性度。

 

克服電壓比力（V/F）二次關(guān)系負擔的一種方法是以差分方式施加激勵信號，以便抵消二次項。然而，這種技術(shù)要求正負電壓值，這將增加傳感器接口ASIC的復雜性。更重要的是，差分工作所需的兩個激勵電容如果不匹配會導致激勵二次項不能完全抵消，因此電容不匹配將限制系統(tǒng)可實現(xiàn)的性能。

 

實現(xiàn)閉環(huán)工作的另外一種方法使用兩級bang-bang反饋信號。由于只用到兩個點的二次V/F關(guān)系，這種方法天生就是線性的，而且并不依賴MEMS電容的匹配或使用負電壓去抵消非線性。使用兩級激勵意味著將反饋信號幅度中的信息轉(zhuǎn)換為時間信息。因此Σ-Δ調(diào)制可以成為實現(xiàn)閉環(huán)數(shù)字讀取傳感器的一種有效技術(shù)。另外，基于Σ-Δ的環(huán)路默認提供模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，因此不需要再使用單獨的A/D。Σ-Δ閉環(huán)架構(gòu)代表了高性能數(shù)字讀取傳感器的最優(yōu)架構(gòu)。值得注意的是，Σ-Δ系統(tǒng)的超采樣特性會使操作系統(tǒng)工作在相對較高的頻率，因此系統(tǒng)變得較易受MEMS寄生電容耦合的影響。盡管如此，抵消這種耦合的電路技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并且可以在傳感器的接口ASIC中實現(xiàn)。Σ-Δ閉環(huán)傳感器的架構(gòu)選擇需要依據(jù)為電子Σ-Δ系統(tǒng)開發(fā)的深層技術(shù)。然而，具有自然電子－機械特性的Σ-Δ閉環(huán)傳感器在系統(tǒng)級設(shè)計與優(yōu)化時需要正確理解MEMS的工作原理和建模機制。典型MEMS傳感器的檢測部分行為就像是一個二階集總式質(zhì)量塊（阻尼器）彈簧機械系統(tǒng)，具有單一的諧振頻率，其傳遞函數(shù)如下：

其中Fin（s）是輸入的力（在使用陀螺儀時是科里奧利力，在使用加速度計時是由于輸入加速產(chǎn)生的力）。x（s）是傳感器質(zhì)量塊對應(yīng)輸入力的位移。m是質(zhì)量塊的質(zhì)量，D是阻尼系數(shù)，k是彈簧常數(shù)（剛度）。

 

MEMS傳感器的工作原理基于這樣一個事實：給MEMS施加一個輸入力（Fin）將產(chǎn)生一定的位移，進而改變MEMS電容（Cout）。這個Cout可以用連接MEMS單元的電路進行測量。帶激勵電極的MEMS傳感器建模如圖1所示。這個模型的增益是Kx/c，代表由于MEMS質(zhì)量塊位移引起的輸出電容變化。Kx/c等于：

其中C0是電容的剩余容量。上述Vp表達式只是用于展示Vp的相關(guān)性。

圖1：MEMS慣性傳感器傳感部分模型

 

但是在像Σ-Δ環(huán)路中那樣的動態(tài)電壓激勵情況下，上述表達式不能精確地表示Vp的實際值。在基于Σ-Δ的傳感器中，MEMS用作環(huán)路濾波器，會形成一個二階電子-機械式Σ-Δ系統(tǒng)。

 

將MEMS引入Σ-Δ環(huán)路可以提高階數(shù)，并進一步抑制量化噪聲。圖2顯示了基于Σ-Δ的傳感器框圖，其中的MEMS與特殊應(yīng)用集成電路（ASIC）連接在一起組成了一個完整的傳感器。這個系統(tǒng)還集成了一個額外的Hcomp塊，用于補償環(huán)路并保持其穩(wěn)定性。

圖2： 基于Σ-Δ的閉環(huán)傳感器框圖

 

這種閉環(huán)傳感器的系統(tǒng)級設(shè)計將確定各個MEMS和ASIC參數(shù)的最優(yōu)值，比如剛度（k）、間隙距離（X0）、阻尼系數(shù)（D）、激勵電壓（VACT）和 ASIC噪聲。為了確保Σ-Δ環(huán)路的穩(wěn)定工作，傳感器的輸入信號不能超過反饋信號。因此激勵電壓值VACT定義了給定MEMS參數(shù)集條件下允許的最大輸入信號。然而，為了允許大的輸入信號范圍而產(chǎn)生大的VACT會導致功耗加大，而且有時要求采用特殊的ASIC技術(shù)才能允許高壓工作。ASIC技術(shù)的選擇將影響到傳感器的總體成本。更重要的是，VACT允許的最大值受MEMS吸合電壓Vp的限制。

 

MEMS間隙距離（X0）是系統(tǒng)能否實現(xiàn)低噪聲工作的一個關(guān)鍵參數(shù)。減小X0會產(chǎn)生更高的Cd和Kx/c，并因此增加MEMS前向增益（靈敏度）。高靈敏度可以減少ASIC噪聲對以傳感器輸入為參考的噪聲的影響。另一方面，MEMS的布朗噪聲功率直接正比于阻尼系數(shù)（D）。總的傳感器噪聲由MEMS噪聲和 ASIC噪聲組成?？梢愿鶕?jù)傳感器總體目標性能、MEMS靈敏度和阻尼系數(shù)估計最大可容忍的ASIC噪聲值。應(yīng)該注意的是，可以達到的最小X0受MEMS 技術(shù)的限制。X0值對最大輸入范圍的影響，取決于激勵電壓（VACT）是否受限于MEMS的吸合電壓。如果VACT受吸合電壓的限制，那么減小X0將導致允許的最大輸入信號范圍減小。如果VACT不受吸合電壓的限制，那么X0的減小和激勵電容（Ca）及KV/F的改進可形成更高的反饋力，最終形成更大的輸入范圍。

 

MEMS單元的剛度（k）是一個重要的系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，因為它可以在MEMS單元中得到很好的控制，不像X0，其最小值受MEMS技術(shù)的限制。假設(shè)ASIC 噪聲主導傳感器噪聲，那么可實現(xiàn)的最大動態(tài)范圍（VACT設(shè)為吸合之前的最大允許值）將獨立于一階k值。這是因為增加k不僅會降低MEMS靈敏度，增加以傳感器輸入為參考的ASIC噪聲，而且也會使反饋力增加同樣的數(shù)量，因為這種方法允許在更高的VACT時工作。在MEMS噪聲主導傳感器性能的情況下，應(yīng)增加k值，以便支持更大的動態(tài)范圍。而在工作不受吸合限制的情況下，最好是減小k值，從而提高MEMS靈敏度，減小ASIC噪聲對傳感器噪聲的影響。需要注意的是，k值會改變MEMS單元的諧振頻率。在開環(huán)傳感器中，諧振頻率設(shè)定了傳感器帶寬的上限，而對閉環(huán)系統(tǒng)來說不是這樣。因此k值可以根據(jù)動態(tài)范圍和噪聲要求進行設(shè)置。

 

傳感器性能對MEMS和ASIC參數(shù)的高度依賴性表明，閉環(huán)傳感器的系統(tǒng)級設(shè)計需要做大量的折衷考慮，其中的ASIC噪聲預算、激勵電壓、功耗和技術(shù)都高度依賴于MEMS參數(shù)。因此為了實現(xiàn)最優(yōu)的傳感器，強烈推薦基于傳感器總體目標規(guī)格的ASIC與MEMS協(xié)同設(shè)計方法，而不是針對已經(jīng)設(shè)計好的MEM再進行ASIC設(shè)計。