system and circuit design for a capacitive mems gyroscope - Aaltodoc

More documents

Recommendations

Info

Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa tutkitaan mikromekaanisen kulmanopeusanturin eli gyroskoopin suunnittelua ja toteutusta. Työssä keskitytään järjestelmään, joka pohjautuu värähtele- vään kulmanopeusanturielementtiin. Elementti toimii alipäästömuotoisesti ja sen reso- nanssivahvistus on keskisuuri. Kulmanopeussignaalin havaitsemiseen käytetty toisio- eli sekundääriresonaattori toimii avoimessa silmukassa. Sekä ensiö- eli primäärireso- naattorin että toisioresonaattorin hyvyysluvut oletetaan suuriksi. Ensiöresonaattorin lii- ke herätetään sähköstaattisesti, ja resonaattoreiden signaalien ilmaisu on kapasitiivi- nen. Väitöskirja on jaettu kolmeen osaan. Kirjan ensimmäinen osa sisältää kahta muuta osaa varten tarvittavat perustiedot. Tässä osassa esitetään aluksi värähtelevän mikromekaanisen kulmanopeusanturielementin toiminnan perusteet ja tärkeimmät epäideaali- suudet. Tämän jälkeen kuvaillaan lyhyesti erilaisia mikromekaanisten rakenteiden val- mistustekniikoita. Lopuksi käydään läpi aiemmin julkaistuja mikromekaanisia gyros- kooppeja, ja tutustutaan tällä hetkellä kaupallisesti saatavilla oleviin kulmanopeusan- tureihin. Toisessa osassa käsitellään mikromekaanisen kulmanopeusanturin järjestelmätason suunnittelua. Tässä osassa tutkitaan aluksi, kuinka erilaiset epäideaalisuudet vaikutta- vat anturielementiltä saatavien signaalien synkroniseen alassekoitukseen. Tämän jäl- keen esitetään analyysi ensiöresonaattorin herätyksen dynaamisesta käyttäytymisestä, mekaanisen kvadratuurisignaalin kompensoinnista sekä kulmanopeusanturin nollapis- tesignaalista. Luvussa tutkitaan myös ΣΔ-modulaation käyttöä sekä ensiöresonaattorin herätyksen että kvadratuurisignaalin kompensoinnin tarkkuuden parantamisessa. Kolmannessa osassa keskitytään kulmanopeusanturin vaatiman integroidun elekt- roniikan suunnitteluun ja toteutukseen. Tässä osassa pääpaino on anturin signaalien ilmaisuun käytettävissä piirilohkoissa, jotka esitellään yksityiskohtaisesti. Näistä pii- rilohkoista ensimmäinen on jatkuva-aikainen etuaste, joka muuntaa kapasitanssimuo- toiset signaalit jännitemuotoisiksi, suodattaa ne halutulle kaistanleveydelle ja normali- soi niiden tasot. Muut ilmaisun vaatimat piirilohkot ovat kaistanpäästö-ΣΔ-tyyppinen analogia-digitaalimuunnin sekä sen jälkeen tarvittava digitaalinen signaalinkäsittely.
iv Muut tarvittavat piirilohkot - kellosignaalit tuottava vaihelukittu silmukka, mekaanisen kvadratuurisignaalin kompensointiin käytettävä korkeajännitteinen digitaali-analo- giamuunnin, korkeiden jännitteiden tuottamiseen tarvittavat varauspumput, analoginen vaihesiirrin sekä ensiöresonaattorin herätyssignaalit tuottava digitaali-analogiamuun- nin - käsitellään yleisemmällä tasolla. Samoin muut järjestelmän vaatimat digitaaliosat käsitellään lyhyesti. Näiden piirilohkojen lisäksi tässä osassa tutustutaan erilaisiin ta- poihin suorittaa kapasitanssi-jännitemuunnos. Näitä ovat esimerkiksi jatkuva-aikaiset etuasteet, jotka joko suorittavat muunnoksen mekaaniselta toimintataajuudelta tai se- koittavat signaalin korkeammalle taajuudelle, erilaiset kytkin-kondensaattoripiirit, se- kä sähkömekaaninen ΣΔ-modulaatio. Väitöskirjaa varten tehdyssä kokeellisessa työssä toteutettiin ja mitattiin mikromekaanisen kulmanopeusanturin prototyyppi. Anturiprototyypin analogiaosat toteutettiin CMOS-puolijohdeprosessilla, jonka viivanleveys on 0,7µm:ä ja jolla voidaan valmis- taa erilaisia korkeajännitekomponentteja. Digitaalinen signaalinkäsittelyosa toteutettiin ohjelmoitavalla logiikkapiirillä. Anturiprototyyppi suunniteltiin ±100 ◦ /s:n kul- manopeusalueelle. Se saavuttaa 0,042 ◦ /s/ √ Hz:n kohinatiheyden ja 51,6dB:n signaali- kohinasuhteen 40Hz:n kaistanleveydellä, kun tulosignaalin suuruus on 100 ◦ /s. Toteutetun prototyypin avulla on osoitettu, kuinka ΣΔ-modulaatiota voidaan käyt- tää sekä ensiöresonaattorin herätyksessä että mekaanisen kvadratuurisignaalin kom- pensoinnissa. Lisäksi prototyypillä on toteutettu digitaalinen vaihevirheiden korjaus. Tällä korjauksella voidaan poistaa eri analogiaosien aiheuttamien vaihevirheiden vai- kutus, sekä vaimentaa merkittävästi kellovärinän tuottamaa lisäkohinaa. Avainsanat: gyroskoopit, integroidut piirit, kapasitiivisen anturin lukeminen, kapasi- tiiviset anturit, korkeajännitesuunnittelu, kulmanopeusanturit, mikroelektromekaaniset järjestelmät, mikrojärjestelmät, sähköstaattinen herätys.
Page 1 and 2: TKK Dissertations 116 Espoo 2008 SY
Page 3 and 4: Distribution: Helsinki University o
Page 6: VÄITÖSKIRJAN TIIVISTELMÄ TEKNILL
Page 9: ii introduced on a more general lev
Page 13 and 14: vi I would like to express my grati
Page 15 and 16: viii 2.4.3 Single- and Two-Chip Imp
Page 17 and 18: x 8.4.2 High-Voltage DAC . . . . .
Page 19 and 20: xii ΔVDC ε0 εr ζI, ζQ ηI, ηQ
Page 21 and 22: xiv ω0y ωc ωcw ωe ωexc ωUGF
Page 23 and 24: xvi Cn,sw,rms COX CP Cpar Input-ref
Page 25 and 26: xviii G V/Ω G V/x G V/y G y/Ω G y
Page 27 and 28: xx Iin,sec Ileak In-phase component
Page 29 and 30: xxii RB RCOMP Rcorr Reff R f RGM Re
Page 31 and 32: xxiv Vin,sec,de(t) Output of the se
Page 33 and 34: xxvi AGC Automatic Gain Control ALC
Page 35 and 36: xxviii ICMR Input Common-Mode Range
Page 37 and 38: xxx VRG Vibrating Ring Gyroscope XO
Page 39 and 40: 2 Introduction with more details in
Page 41 and 42: 4 Introduction effect couples vibra
Page 43 and 44: 6 Introduction mary resonator excit
Page 46 and 47: Chapter 2 Micromechanical Gyroscope
Page 48 and 49: 2.1 Operation of a Vibratory Microg
Page 60 and 61:
2.2 Mechanical-Thermal Noise 23 2.1
Page 62 and 63:
2.3 Excitation and Detection 25 req
Page 64 and 65:
2.4 Manufacturing Technologies 27 b
Page 66 and 67:
2.4 Manufacturing Technologies 29 E
Page 68 and 69:
2.5 Published Microgyroscopes 31 2.
Page 70 and 71:
2.5 Published Microgyroscopes 33 gy
Page 72 and 73:
2.5 Published Microgyroscopes 35 te
Page 74 and 75:
2.5 Published Microgyroscopes 37 th
Page 76 and 77:
2.5 Published Microgyroscopes 39 el
Page 78 and 79:
2.5 Published Microgyroscopes 41 ar
Page 80 and 81:
2.6 Commercially Available Microgyr
Page 82 and 83:
1) User-selectable 2) Specified for
Page 84 and 85:
12) Device has both analog and digi
Page 86 and 87:
Chapter 3 Synchronous Demodulation
Page 88 and 89:
3.1 Demodulation in Ideal Case 51 3
Page 90 and 91:
3.3 Secondary Resonator Transfer Fu
Page 92 and 93:
Page 94 and 95:
Page 96 and 97:
Page 98 and 99:
3.4 Nonlinearities in Displacement-
Page 100 and 101:
3.5 Mechanical-Thermal Noise 63 Fig
Page 102:
3.7 Discussion 65 non-idealities we
Page 105 and 106:
68 Primary Resonator Excitation dis
Page 107 and 108:
70 Primary Resonator Excitation The
Page 109 and 110:
72 Primary Resonator Excitation and
Page 111 and 112:
74 Primary Resonator Excitation 4.2
Page 113 and 114:
76 Primary Resonator Excitation * H
Page 115 and 116:
78 Primary Resonator Excitation dis
Page 117 and 118:
80 Primary Resonator Excitation res
Page 119 and 120:
82 Primary Resonator Excitation DAC
Page 121 and 122:
84 Primary Resonator Excitation ac
Page 123 and 124:
86 Compensation of Mechanical Quadr
Page 125 and 126:
Page 127 and 128:
Page 129 and 130:
Figure 5.6 A feedback loop with Σ
Page 131 and 132:
Page 134 and 135:
Chapter 6 Zero-Rate Output The zero
Page 136 and 137:
6.1 Sources of Zero-Rate Output 99
Page 138 and 139:
Page 140 and 141:
Page 142 and 143:
6.2 Effects of Synchronous Demodula
Page 144 and 145:
6.3 Effects of Quadrature Compensat
Page 146:
6.5 Discussion 109 source in the el
Page 149 and 150:
112 Capacitive Sensor Readout Typic
Page 151 and 152:
114 Capacitive Sensor Readout 7.1.1
Page 153 and 154:
116 Capacitive Sensor Readout stati
Page 155 and 156:
118 Capacitive Sensor Readout corre
Page 157 and 158:
120 Capacitive Sensor Readout examp
Page 159 and 160:
122 Capacitive Sensor Readout large
Page 161 and 162:
124 Capacitive Sensor Readout DC an
Page 163 and 164:
126 Capacitive Sensor Readout (a)
Page 165 and 166:
128 Capacitive Sensor Readout In th
Page 167 and 168:
130 Capacitive Sensor Readout suffi
Page 169 and 170:
132 Capacitive Sensor Readout (a)
Page 171 and 172:
134 Capacitive Sensor Readout negli
Page 173 and 174:
136 Capacitive Sensor Readout reset
Page 175 and 176:
138 Capacitive Sensor Readout incre
Page 177 and 178:
140 Capacitive Sensor Readout is co
Page 179 and 180:
142 Implementation such a way that
Page 181 and 182:
144 Implementation 8.2 System Desig
Page 183 and 184:
146 Implementation 8.2.1 Sensor Rea
Page 185 and 186:
148 Implementation together with th
Page 187 and 188:
150 Implementation approach require
Page 189 and 190:
152 Implementation used for clock g
Page 191 and 192:
154 Implementation Because of the d
Page 193 and 194:
156 Implementation plied from the C
Page 195 and 196:
158 Implementation of a PMOS transi
Page 197 and 198:
160 Implementation R eff (MΩ) 1000
Page 199 and 200:
162 Implementation R eff (MΩ) 1000
Page 201 and 202:
164 Implementation effective resist
Page 203 and 204:
166 Implementation is applied to th
Page 205 and 206:
168 Implementation ther differences
Page 207 and 208:
170 Implementation (a) (b) (c) V in
Page 209 and 210:
172 Implementation V inp V inn V C2
Page 211 and 212:
174 Implementation (a) -z -2 z -1 1
Page 213 and 214:
Figure 8.19 Schematic of the implem
Page 215 and 216:
178 Implementation teresis are equa
Page 217 and 218:
180 Implementation From the silicon
Page 219 and 220:
182 Implementation V inp V inn C 1p
Page 221 and 222:
184 Implementation as an XOR operat
Page 223 and 224:
186 Implementation triggered by the
Page 225 and 226:
188 Implementation Θ 1 (°) 2.5 2
Page 227 and 228:
190 Implementation R.m.s. noise (dB
Page 229 and 230:
192 Implementation Quadrature outpu
Page 231 and 232:
194 Implementation Signal (dBFS)
Page 233 and 234:
196 Implementation itor towards gro
Page 235 and 236:
198 Implementation Finally, the mea
Page 237 and 238:
200 Implementation Root Allan varia
Page 239 and 240:
202 Implementation Technology Table
Page 241 and 242:
204 Conclusions and Future Work usi
Page 244 and 245:
Bibliography [1] H. C. Nathanson an
Page 246 and 247:
Bibliography 209 [20] L. Aaltonen,
Page 248 and 249:
Bibliography 211 [45] J. M. Bustill
Page 250 and 251:
Bibliography 213 [68] B. V. Amini,
Page 252 and 253:
Bibliography 215 [88] S. R. Zarabad
Page 254 and 255:
Bibliography 217 [113] Z. Y. Chang
Page 256 and 257:
Bibliography 219 [138] ——, “N
Page 258 and 259:
Appendix A Effect of Nonlinearities
Page 260 and 261:
+ 3ABD · sin((ω0x − 2ωΩ)t + 2
Page 262 and 263:
+ 3BC2 · cos((3ω0x + ωΩ)t − T
Page 264 and 265:
Appendix B Effect of Mechanical-The
Page 266:
lowing an identical path, the power
Page 269 and 270:
232 Parallel-Plate Actuator with Vo
Page 271 and 272:
234 Noise Properties of SC Readout
Page 273 and 274:
Page 275 and 276:
Page 278 and 279:
Appendix F Microphotograph of the I
show all

system and circuit design for a capacitive mems gyroscope - Aaltodoc

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?