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1、VLSI系统设计,第6章 集成微系统（MEMS） （2011-2012）,（2）,6.1 MEMS器件概念 一个例子:NMOSFET谐振栅晶体管（RGT）,.1,（3）,MEMS器件,电容变化引起沟道电荷变化。 Q=CV 和MOS管相比，工作原理发生变化。 但仍是四端器件,6.1 MEMS器件概念 一个例子:NMOSFET谐振栅晶体管（RGT）,.1,（4）,6.1 MEMS器件概念 微系统集成的问题,.1,工艺兼容性； 材料复用性； 描述一致性和仿真一致性； 设计复杂性； 处理电路多样性。 MEMS-采样/放大； 调制-解调； 模数变换； 数字信号处理； ,（5）,6.1 MEMS器件概念
2、几种简单的MEMS结构,1. 简单梁结构,.1,（6）,6.1 MEMS器件概念 几种简单的MEMS结构,1. 简单梁结构,.1,（7）,6.1 MEMS器件概念 几种简单的MEMS结构,2. 简单膜结构,.1,（8）,6.1 MEMS器件概念 几种简单的MEMS结构,3. 多方向运动结构,.1,（9）,6.1 MEMS器件概念 几种简单的MEMS结构,.1,4. 执行运动结构,（10）,6.1 MEMS器件概念 几种简单的MEMS结构,.1,（11）,6.1 MEMS器件概念 几种简单的MEMS结构,.1,（12）,6.1 MEMS器件概念 多能域问题和复杂性设计问题,单片集成系统 = ME
3、MS + 电路,描述:,力学 热学 电学 光学,电学 & 微电子学,.1,（13）,6.1 MEMS器件概念 多能域问题和复杂性设计问题,单片集成系统 = MEMS + 电路,力学 热学 电学 光学,电学 & 微电子学,统一描述:,电路网表,.1,（14）,6.2 集成微系统 1、集成湿度传感器,.2,瑞士Sensirion公司SHT11/15型湿度温度传感器,（15）,6.2 集成微系统 1、集成湿度传感器,.2,（16）,6.2 集成微系统 1、集成湿度传感器,.2,传感器,聚合物感湿材料介电常数随湿度而改变。导致电容大小改变。,（17）,6.2 集成微系统 2、集成加速度传感器,.2,（
4、18）,6.2 集成微系统 2、集成加速度传感器,.2,静止极板与运动极板间距因加速度而变。导致电容大小改变。,（19）,6.2 集成微系统 3、集成胎压传感器,.2,（20）,6.2 集成微系统 3、集成胎压传感器,.2,压力使极板间距改变。导致电容值改变。,（21）,6.2 集成微系统 4、集成陀螺仪,.2,（22）,6.2 集成微系统 4、集成陀螺仪-执行器+传感器,.2,（23）,6.2 集成微系统 4、集成陀螺仪-执行器+传感器,.2,MEMS陀螺,（24）,6.2 集成微系统 4、集成陀螺仪-执行器+传感器,.2,陀螺结构与原理,哥氏力产生的非振动方向的运动引起梳齿相对运动。导致电
5、容值改变。,（25）,6.2 集成微系统 5、集成数字微镜DMD -执行器,.2,（26）,6.2 集成微系统 5、集成数字微镜-执行器,.2,（27）,6.2 集成微系统 5、集成数字微镜-执行器,.2,单芯片投影系统,三芯片投影系统,（28）,6.2 集成微系统 5、集成数字微镜-执行器,.2,DMD是MEMS执行器的应用示例，利用寻址方式控制静电驱动方式工作。,（29）,6.3 微弱信号处理,.3,电容检测 压阻检测 压电检测 隧道检测 热流式检测技术 谐振式检测技术 光纤式检测技术,（30）,6.3 微弱信号处理 电容检测,.3,传感电容pf量级，电容变化af量级 噪声信噪比问题 设计
6、低噪声，抗干扰能力强的微弱信号检测电路是电容式传感器的关键之一 电容的微小变化量转化为频率，电流，电压 C-F 、 C-I、PWM、C-V (电容电桥、开关电容法、电荷放大法),（31）,6.3 微弱信号处理 C-F方法,.3,多谐振荡器,I1I2,充电过程：开关闭合,放电过程：开关断开,（32）,6.3 微弱信号处理 C-I方法,.3,初始情况:Cs上电压为0； 比较器输出为0，M1、M2截止。,有效:Cs上电压不能突变，比较器反相端为Vref ，比较器输出为Vss，M2导通。 Cs放电，比较器反相端趋于0，输出趋于0，M2截止。,有效:Cs放电到0电压。,（33）,6.3 微弱信号处理 P
7、WM方法,.3,传感器以差分电容形式变化,（34）,6.3 微弱信号处理 C-V 法(电容电桥法),.3,（35）,6.3 微弱信号处理 C-V法 (开关电容法),.3,在1为高电平时，C1和Cref 放电，Cs充电。此时存储在Cs两端的电荷Qs为：,在2为高电平时，C1和Cref 充电，Cs放电。此时存储在Cref 两端的电荷Qref 为：,C1上电荷Q1为： 输出电压为:,开关电容电路的形式非常多，但基本原理相同。,（36）,6.3 微弱信号处理 C-V法（电荷放大法）,.3,电阻的作用是为运放提供直流反馈，使得反相输入为零。,（37）,6.3 微弱信号处理 载波调制方法单路载波,.3,两路电荷放大电路,（38）,6.3 微弱信号处理 载波调制方法双路载波,.3,两路电荷求和,采用高频载波进行调制，可以有效避开1/f 噪声对电路的影响,（39）,6.3 微弱信号处理 噪声处理斩波技术,.3,使用调制技术将信号转到更高的频率，此频段放大器没有1/f 噪声，然后在经过放大后解调回基带，由于斩波不会提高白噪声部分，所以斩波更适合低噪声电路。,（40）,小结：,.3,MEMS技术将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微机电系统。,