【摘要】：高集成度需求持續(xù)驅(qū)動(dòng)制造集成電路的CMOS工藝以及制造傳感器敏感單元的MEMS工藝不斷地推進(jìn)尺寸縮微(Scaling-down),以將MEMS傳感器應(yīng)用于成本、功耗和空間要求極其苛刻的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)領(lǐng)域。然而,在傳感器的MEMS工藝特征尺寸縮微到微米(10~(-6)m)級別后遇上了巨大的性能瓶頸。這是因?yàn)閭鞲衅鞯碾娙葑兓侩S著工藝尺寸縮微以五階速率衰減(-100dB/dec),而產(chǎn)生的干擾的寄生電容量卻隨著工藝尺寸縮微以僅僅二階速率衰減(-40dB/dec)。這就造成了當(dāng)傳感器的電容變化量縮微到飛法級別(10~(-15)F)后,寄生電容的干擾變得十分嚴(yán)重,采用傳統(tǒng)讀出技術(shù)無法再滿足IoT設(shè)備的精度與功耗要求。而現(xiàn)代CMOS工藝的縮微帶來的信號動(dòng)態(tài)范圍降低、器件本征增益降低以及漏電流干擾增加進(jìn)一步加大了這一挑戰(zhàn)。因此,本文針對尺寸縮微效應(yīng)對飛法級MEMS電容型傳感器系統(tǒng)的性能影響做了深入研究并針對性地提出了具體解決方案。本文主要的創(chuàng)新性成果如下:(1)提出了一項(xiàng)名為Oversampling Successive Approximation(OSA)的迭代讀出技術(shù)來提高飛法級電容型傳感器的讀出精度。這包括以下工作。首先,針對性地分析了寄生電容對飛法級MEMS電容傳感器系統(tǒng)造成的增益誤差惡化現(xiàn)象。然后,提出OSA技術(shù)概念并實(shí)現(xiàn)了基于OSA技術(shù)的電容-電壓變換器(OSA-CVC)以及基于OSA技術(shù)的積分器。再次,對OSA電路的精度和噪聲性能做了詳細(xì)分析。最后,對OSA-CVC進(jìn)行了詳細(xì)的電荷注入分析并給出了專用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)策略以進(jìn)一步提升精度。(2)提出了一種基于OSA-CVC的MEMS電容型加速度計(jì)的高精度開環(huán)讀出電路。這包括以下工作。首先,詳細(xì)分析了本文提出的開環(huán)讀出電路中碰上的五個(gè)降低系統(tǒng)精度和穩(wěn)定時(shí)間的關(guān)鍵非理想特征:保持誤差、恢復(fù)退化、增量退化、上升沿退化和電荷注入。接下來,給出了這些問題的相應(yīng)解決方案。所提出的讀出電路采用商用0.18-μm BCD工藝制造,傳統(tǒng)讀出電路也被重現(xiàn)并使用相同的工藝制造以進(jìn)行對比。最后,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相比傳統(tǒng)的開環(huán)讀出電路,所提出的基于OSA-CVC的讀出電路減少共模寄生電容對精度的影響達(dá)到23.8 dB,降低功耗69.3%,并降低芯片面積50%。該研究成果發(fā)表在了IEEE JSSC期刊上。(3)提出一種基于OSA-CVC和OSA積分器的MEMS電容型加速度計(jì)的閉環(huán)三階Sigma-Delta讀出電路。這包括以下工作。首先,建立了基于力反饋?zhàn)x出技術(shù)(Force feedback readout)的閉環(huán)加速度計(jì)讀出電路系統(tǒng)模型。然后,通過使用OSA-CVC和OSA積分器來降低放大器的增益要求,從而降低了功耗和芯片面積。接下來,詳細(xì)分析了在實(shí)際應(yīng)用中閉環(huán)架構(gòu)十分敏感的電荷注入和漏電流干擾,并給出了抑制干擾的解決方案。最后,所提出的閉環(huán)讀出電路采用商業(yè)0.18um BCD工藝制造。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,讀出電路芯片的功耗低至0.5mW,采樣率為9MHz,增益誤差為0.07%,本底噪聲為24ug/rtHz。該研究成果發(fā)表在了IEEE TCAS-I期刊上。(4)提出了MEFS抗干擾電容觸摸技術(shù)并設(shè)計(jì)了MEFS-OSA抗干擾觸摸傳感系統(tǒng)。這包括以下工作。首先,提出基于物理尺寸區(qū)分手指和水滴的方法。由于手指的高度(10mm)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水滴高度(1mm),因此將觸摸面板上傳感單元的電場投射在高空(高度10mm)而不是聚集在低空(高度1mm)中時(shí)觸摸傳感單元可以將手指與水滴干擾區(qū)分開來。接下來,為了實(shí)現(xiàn)這種高空電場投射,創(chuàng)新性的提出使用耦合電場成形(MEFS)技術(shù)來構(gòu)建傳感單元。MEFS傳感單元將水滴的干擾轉(zhuǎn)換為很大的共模寄生電容,這個(gè)共模寄生電容產(chǎn)生的信號干擾通過使用OSA讀出技術(shù)來克服。最后,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對于所提出的MEFS-OSA觸摸傳感系統(tǒng),當(dāng)傳感單元被水滴覆蓋和被手指觸摸的時(shí)候,系統(tǒng)輸出分別為1.11V和1.23V。而對于傳統(tǒng)觸摸傳感系統(tǒng),當(dāng)傳感單元被水滴覆蓋和被手指觸摸的時(shí)候,系統(tǒng)輸出分別為1.32V和1.33V。這表明MEFS傳感單元和OSA讀出電路的組合系統(tǒng)可以比傳統(tǒng)系統(tǒng)方案更好的抵抗水滴的干擾。該研究成果發(fā)表在IEEE TCAS-I期刊上�？偟膩碚f,本文的主要?jiǎng)?chuàng)新工作在于提出了OSA讀出技術(shù),并且證實(shí)其能夠在飛法級MEMS電容型傳感器系統(tǒng)中發(fā)揮顯著的降低增益誤差、降低功耗以及提升共模寄生電容抗性的作用。
【圖文】：

西安電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文作為語音識別技術(shù)的核心傳感器，MEMS 電容型麥克風(fēng)在近年來越來越受到學(xué)術(shù)界和商業(yè)界的關(guān)注[19]-[23]。如圖 1.3 所示，，Yole 公司 2017 年的市場調(diào)研報(bào)告表明，麥克風(fēng)的市場需求從2007年開始保持了10年的持續(xù)增長，并會在未來繼續(xù)保持高速增長。

西安電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文作為語音識別技術(shù)的核心傳感器，MEMS 電容型麥克風(fēng)在近年來越來越受到學(xué)術(shù)界和商業(yè)界的關(guān)注[19]-[23]。如圖 1.3 所示，Yole 公司 2017 年的市場調(diào)研報(bào)告表明，麥克風(fēng)的市場需求從2007年開始保持了10年的持續(xù)增長，并會在未來繼續(xù)保持高速增長。圖 1.1 電容型觸摸傳感器在超薄顯示屏中集成
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212

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