發(fā)布時間：2020-05-05 13:38

【摘要】：電容式加速度傳感器可以將微弱的加速度信號轉(zhuǎn)化成能夠檢測的電信號,高精度加速度傳感器被廣泛應用在地震檢測,汽車安全,航空航天,自動化工業(yè)等領域中。加速度傳感器接口電路的研發(fā)是加速度傳感器研究的重要組成部分,具有實現(xiàn)加速度傳感器的實用化的重要意義。針對當前電容式微加速度計相關理論研究和接口電路設計中存在的不足,論文主要完成以下幾個工作:電容式微加速度計噪聲分析與電路優(yōu)化,提出針對性的降噪措施;接口電路的系統(tǒng)構架和模塊設計,并對性能和參數(shù)進行改善;接口電路的版圖設計和加速度計系統(tǒng)的綜合測試。本文對電容式微加速度計的噪聲特性進行了詳細分析,提出了各種噪聲的避免和減小方法。通過電容補償陣列對傳感器敏感結構失調(diào)和非線性進行校準,采用開關電容電路消除寄生電容影響,使用相關雙取樣技術消除電路中的低頻噪聲和失調(diào)電壓,同時提出減少運算放大器熱噪聲和閃爍噪聲的辦法,并為電路的設計優(yōu)化提供針對性的指導。根據(jù)相關研究中存在問題,提出了本文設計的高精度全差分電容式微加速度計接口電路的全新結構,主要包括電容電壓轉(zhuǎn)換器,可編程增益放大器,全差分Sallen-Key低通濾波器。在分析了傳統(tǒng)電容電壓轉(zhuǎn)換器局限性的基礎上,提出了改進方案,整體轉(zhuǎn)換電路仍然采用具單端連接的輸出的方式,通過分時復用實現(xiàn)全差分結構�？删幊淘鲆娣糯笃骺墒菇涌陔娐愤m用于不同的傳感器敏感結構,實現(xiàn)多量程檢測,通過時鐘控制實現(xiàn)全差分結構,并完成離散信號到連續(xù)信號的轉(zhuǎn)變。全差分Sallen-Key低通濾波器運用全差動差分放大器實現(xiàn)全差分濾波,新的結構可節(jié)約50%以上的功耗,并實現(xiàn)截止頻率可調(diào),從而能夠?qū)Σ煌l率的加速度進行檢測。整體電路均采用全差分結構,有效的抑制了零點漂移和諧波失真,減小了開關電荷注入和襯底噪聲產(chǎn)生的共模干擾,主要信號通路均通過相關雙采樣技術消除低頻噪聲和失調(diào)。本文設計的接口電路采用0.18μm CMOS工藝流片,芯片面積3mm×1.3mm,并與傳感器敏感結構進行綜合測試。測試結果表明,整體微加速度系統(tǒng)量程范圍為±2~±200g,電源電壓3.3V,系統(tǒng)總功耗9.9mW,非線性度小于0.2%,帶寬大于300Hz,工作溫度范圍為-55~125℃,具有精度高、靈敏度高、零點失調(diào)低、噪聲低等優(yōu)質(zhì)性能。本文設計的高精度全差分電容式加速度計接口電路具有重要的研究意義和廣闊的應用前景。
【圖文】：

第 1 章 緒論硅工藝，單懸臂梁+質(zhì)量塊結構，并在 80 年代初形成了產(chǎn)品，從此究迅速發(fā)展起來[26]。現(xiàn)階段加速度傳感器采用最多的是電容式結構，1 年研制成功，該加速度計采用扭轉(zhuǎn)差分電容結構，利用表面微機械測電路制作，應用于心臟起搏器中，之后電容式加速度傳感器蓬勃發(fā)市場份額[27]。1993 年 AD 公司率先將加速度傳感器用于汽車的安全氣，隨后加速度傳感器被廣泛的運用于各種武器系統(tǒng)和自動化工業(yè)當中術的不斷發(fā)展和加速度傳感器的深入研究，許多傳感器結構被提出加速度計接口檢測芯片，電路結構有單端結構和差分結構，輸出形式輸出，且也都達到了相應的精度，滿足大多數(shù)傳感器的檢測需求[29][3，卡內(nèi)基梅隆大學的 Jiangfeng Wu 設計了一種低噪聲低偏移電容式加如圖 1.1 所示。在全差分檢測結構中，，系統(tǒng)噪聲 50μg/Hz1/2，電路直度 130mV/g，功耗 30mW[31]。

如圖 1.1 所示。在全差分檢測結構中，系統(tǒng)噪聲 50μg/Hz1/2，電路直流敏度 130mV/g，功耗 30mW[31]。圖 1.1 卡內(nèi)基梅隆大學的 Jiangfeng Wu 設計的接口電路 年，密歇根大學提出了 sigma-delta 結構的閉環(huán)微重力加速度計，接口。該電路采用離散時間處理方式，具有較高的精度，5V 電壓供電，靈噪聲為 10.8μg/Hz1/2[32]。
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;TH824.4

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本文編號：2650236