微机械式惯性传感器现已成为许多消费产品的一个组成部分，比方手持式移动终端、照相机和游戏操控器等。此外，微机械式惯性传感器还被广泛用于工业、轿车安全和安稳操控以及导航领域中的振荡监测。一般来说，微型传感器可所以压电式、压阻式或电容式传感器。但是，电容式传感的高热安稳性和高灵敏度使得它对品种广泛的运用来说更具吸引力。
带数字读取功用的根本的电容式传感器接口电路由电容到电压转化器（C/V），以及随后的模数转化器（A/D）和信号调理电路组成。以开环装备（没有反应信号）运转这种传感器能够构成相对简略的体系，这种体系自身就比较安稳。尽管如此，开环作业时的体系对MEMS参数会十分灵敏。此外，整个体系的线性度受传感器体系链中每个模块的线性度影响，并且C/V和A/D的动态规模要求可能会愈加严厉。相反，将MEMS传感器放在负反应闭环中运用有许多优点，例如改善的带宽、对MEMS器材的工艺和温度改动具有较低的灵敏性。别的，由于C/V只需求处理差错信号，与开环作业办法比较，C/V动态规模和线性目标能够放宽。因而为保证体系的安稳性，正确规划反应环路就显得十分重要。
在电容式传感器中，反应信号以电容鼓励电极上的电压信号办法施加到MEMS。这个施加的电压将发生一个静电力并作用到MEMS质量块上。因而终究构成的体系被称为力反应体系。但是，电容有一个二次的电压比力联系，它会约束体系的线性度。
战胜电压比力（V/F）二次联系担负的一种办法是以差分办法施加鼓励信号，以便抵消二次项。但是，这种技能要求正负电压值，这将添加传感器接口ASIC的复杂性。更重要的是，差分作业所需的两个鼓励电容假如不匹配会导致鼓励二次项不能彻底抵消，因而电容不匹配将约束体系可完成的功用。
完成闭环作业的别的一种办法运用两级bang-bang反应信号。由于只用到两个点的二次V/F联系，这种办法天然生成便是线性的，并且并不依靠MEMS电容的匹配或运用负电压去抵消非线性。运用两级鼓励意味着将反应信号起伏中的信息转化为时刻信息。因而Σ-Δ调制能够成为完成闭环数字读取传感器的一种有用技能。别的，依据Σ-Δ的环路默许供给模数转化功用，因而不需求再运用独自的A/D。Σ-Δ闭环架构代表了高功用数字读取传感器的最优架构。值得留意的是，Σ-Δ体系的超采样特性会使操作体系作业在相对较高的频率，因而体系变得较易受MEMS寄生电容耦合的影响。尽管如此，抵消这种耦合的电路技能现已十分老练，并且能够在传感器的接口ASIC中完成。Σ-Δ闭环传感器的架构挑选需求依据为电子Σ-Δ体系开发的深层技能。但是，具有天然电子－机械特性的Σ-Δ闭环传感器在体系级规划与优化时需求正确理解MEMS的作业原理和建模机制。典型MEMS传感器的检测部分行为就像是一个二阶集总式质量块（阻尼器）绷簧机械体系，具有单一的谐振频率，其传递函数如下：
其间Fin（s）是输入的力（在运用陀螺仪时是科里奥利力，在运用加快度计时是由于输入加快发生的力）。x（s）是传感器质量块对应输入力的位移。m是质量块的质量，D是阻尼系数，k是绷簧常数（刚度）。
MEMS传感器的作业原理依据这样一个现实：给MEMS施加一个输入力（Fin）将发生必定的位移，然后改动MEMS电容（Cout）。这个Cout能够用衔接MEMS单元的电路进行丈量。带鼓励电极的MEMS传感器建模如图1所示。这个模型的增益是Kx/c，代表由于MEMS质量块位移引起的输出电容改动。Kx/c等于：
其间Cd是MEMS的检测电容，X0是电容空隙间隔。系数2代表差分作业。这个模型还包括一个KV/F因子，它是由于反应电压VACT发生的力：
其间VACT是鼓励电压，Ca是MEMS的鼓励电容。吸合（拉入）是电容式MEMS传感器的一个重要现象，此刻电容极板由于施加的大电压而吸合在一起，然后导致作业毛病。避免吸合的最大静态电压等于：
其间C0是电容的剩下容量。上述Vp表达式仅仅用于展现Vp的相关性。
图1：MEMS惯性传感器传感部分模型
但是在像Σ-Δ环路中那样的动态电压鼓励情况下，上述表达式不能精确地标明Vp的实践值。在依据Σ-Δ的传感器中，MEMS用作环路滤波器，会构成一个二阶电子-机械式Σ-Δ体系。
将MEMS引进Σ-Δ环路能够进步阶数，并进一步按捺量化噪声。图2显现了依据Σ-Δ的传感器框图，其间的MEMS与特别运用集成电路（ASIC）衔接在一起组成了一个完好的传感器。这个体系还集成了一个额定的Hcomp块，用于补偿环路并坚持其安稳性。
图2： 依据Σ-Δ的闭环传感器框图
这种闭环传感器的体系级规划将确认各个MEMS和ASIC参数的最优值，比方刚度（k）、空隙间隔（X0）、阻尼系数（D）、鼓励电压（VACT）和 ASIC噪声。为了保证Σ-Δ环路的安稳作业，传感器的输入信号不能超过反应信号。因而鼓励电压值VACT界说了给定MEMS参数集条件下答应的最大输入信号。但是，为了答应大的输入信号规模而发生大的VACT会导致功耗加大，并且有时要求选用特别的ASIC技能才干答应高压作业。ASIC技能的挑选将影响到传感器的整体本钱。更重要的是，VACT答应的最大值受MEMS吸合电压Vp的约束。
MEMS空隙间隔（X0）是体系能否完成低噪声作业的一个要害参数。减小X0会发生更高的Cd和Kx/c，并因而添加MEMS前向增益（灵敏度）。高灵敏度能够削减ASIC噪声对以传感器输入为参阅的噪声的影响。另一方面，MEMS的布朗噪声功率直接正比于阻尼系数（D）。总的传感器噪声由MEMS噪声和 ASIC噪声组成。能够依据传感器整体目标功用、MEMS灵敏度和阻尼系数估量最大可容忍的ASIC噪声值。应该留意的是，能够到达的最小X0受MEMS 技能的约束。X0值对最大输入规模的影响，取决于鼓励电压（VACT）是否受限于MEMS的吸合电压。假如VACT受吸合电压的约束，那么减小X0将导致答应的最大输入信号规模减小。假如VACT不受吸合电压的约束，那么X0的减小和鼓励电容（Ca）及KV/F的改善可构成更高的反应力，终究构成更大的输入规模。
MEMS单元的刚度（k）是一个重要的体系规划参数，由于它能够在MEMS单元中得到很好的操控，不像X0，其最小值受MEMS技能的约束。假定ASIC 噪声主导传感器噪声，那么可完成的最大动态规模（VACT设为吸合之前的最大答应值）将独立于一阶k值。这是由于添加k不只会下降MEMS灵敏度，添加以传感器输入为参阅的ASIC噪声，并且也会使反应力添加相同的数量，由于这种办法答应在更高的VACT时作业。在MEMS噪声主导传感器功用的情况下，应添加k值，以便支撑更大的动态规模。而在作业不受吸合约束的情况下，最好是减小k值，然后进步MEMS灵敏度，减小ASIC噪声对传感器噪声的影响。需求留意的是，k值会改动MEMS单元的谐振频率。在开环传感器中，谐振频率设定了传感器带宽的上限，而对闭环体系来说不是这样。因而k值能够依据动态规模和噪声要求进行设置。
传感器功用对MEMS和ASIC参数的高度依靠性标明，闭环传感器的体系级规划需求做很多的折衷考虑，其间的ASIC噪声预算、鼓励电压、功耗和技能都高度依靠于MEMS参数。因而为了完成最优的传感器，强烈推荐依据传感器整体目标标准的ASIC与MEMS协同规划办法，而不是针对现已规划好的MEM再进行ASIC规划。
关于作者
Ayman Ismail是坐落埃及开罗的Si-Ware体系公司ASIC解决方案事业部首席工程师，能够经过电子邮件地址 ayman.ismail@si-ware.com与他取得联系。（end）
