發(fā)布時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)化成能夠檢測(cè)的電信號(hào),高精度加速度傳感器被廣泛應(yīng)用在地震檢測(cè),汽車(chē)安全,航空航天,自動(dòng)化工業(yè)等領(lǐng)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(shí)現(xiàn)加速度傳感器的實(shí)用化的重要意義。針對(duì)當(dāng)前電容式微加速度計(jì)相關(guān)理論研究和接口電路設(shè)計(jì)中存在的不足,論文主要完成以下幾個(gè)工作:電容式微加速度計(jì)噪聲分析與電路優(yōu)化,提出針對(duì)性的降噪措施;接口電路的系統(tǒng)構(gòu)架和模塊設(shè)計(jì),并對(duì)性能和參數(shù)進(jìn)行改善;接口電路的版圖設(shè)計(jì)和加速度計(jì)系統(tǒng)的綜合測(cè)試。本文對(duì)電容式微加速度計(jì)的噪聲特性進(jìn)行了詳細(xì)分析,提出了各種噪聲的避免和減小方法。通過(guò)電容補(bǔ)償陣列對(duì)傳感器敏感結(jié)構(gòu)失調(diào)和非線(xiàn)性進(jìn)行校準(zhǔn),采用開(kāi)關(guān)電容電路消除寄生電容影響,使用相關(guān)雙取樣技術(shù)消除電路中的低頻噪聲和失調(diào)電壓,同時(shí)提出減少運(yùn)算放大器熱噪聲和閃爍噪聲的辦法,并為電路的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供針對(duì)性的指導(dǎo)。根據(jù)相關(guān)研究中存在問(wèn)題,提出了本文設(shè)計(jì)的高精度全差分電容式微加速度計(jì)接口電路的全新結(jié)構(gòu),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(chǔ)上,提出了改進(jìn)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(guò)分時(shí)復(fù)用實(shí)現(xiàn)全差分結(jié)構(gòu)。可編程增益放大器可使接口電路適用于不同的傳感器敏感結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)多量程檢測(cè),通過(guò)時(shí)鐘控制實(shí)現(xiàn)全差分結(jié)構(gòu),并完成離散信號(hào)到連續(xù)信號(hào)的轉(zhuǎn)變。全差分Sallen-Key低通濾波器運(yùn)用全差動(dòng)差分放大器實(shí)現(xiàn)全差分濾波,新的結(jié)構(gòu)可節(jié)約50%以上的功耗,并實(shí)現(xiàn)截止頻率可調(diào),從而能夠?qū)Σ煌l率的加速度進(jìn)行檢測(cè)。整體電路均采用全差分結(jié)構(gòu),有效的抑制了零點(diǎn)漂移和諧波失真,減小了開(kāi)關(guān)電荷注入和襯底噪聲產(chǎn)生的共模干擾,主要信號(hào)通路均通過(guò)相關(guān)雙采樣技術(shù)消除低頻噪聲和失調(diào)。本文設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合測(cè)試。測(cè)試結(jié)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(xiàn)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(diǎn)失調(diào)低、噪聲低等優(yōu)質(zhì)性能。本文設(shè)計(jì)的高精度全差分電容式加速度計(jì)接口電路具有重要的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。
【圖文】：

第 1 章 緒論硅工藝，單懸臂梁+質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，并在 80 年代初形成了產(chǎn)品，從此究迅速發(fā)展起來(lái)[26]�，F(xiàn)階段加速度傳感器采用最多的是電容式結(jié)構(gòu)，1 年研制成功，該加速度計(jì)采用扭轉(zhuǎn)差分電容結(jié)構(gòu)，利用表面微機(jī)械測(cè)電路制作，應(yīng)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(chǎng)份額[27]。1993 年 AD 公司率先將加速度傳感器用于汽車(chē)的安全氣，隨后加速度傳感器被廣泛的運(yùn)用于各種武器系統(tǒng)和自動(dòng)化工業(yè)當(dāng)中術(shù)的不斷發(fā)展和加速度傳感器的深入研究，許多傳感器結(jié)構(gòu)被提出加速度計(jì)接口檢測(cè)芯片，電路結(jié)構(gòu)有單端結(jié)構(gòu)和差分結(jié)構(gòu)，輸出形式輸出，且也都達(dá)到了相應(yīng)的精度，滿(mǎn)足大多數(shù)傳感器的檢測(cè)需求[29][3，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的 Jiangfeng Wu 設(shè)計(jì)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(cè)結(jié)構(gòu)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(cè)結(jié)構(gòu)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(xué)的 Jiangfeng Wu 設(shè)計(jì)的接口電路 年，密歇根大學(xué)提出了 sigma-delta 結(jié)構(gòu)的閉環(huán)微重力加速度計(jì)，接口。該電路采用離散時(shí)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(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TP212;TH824.4

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