一種基于閉環MEMS的電容式慣性傳感器設計

將MEMS引入Σ-Δ環路可以提高階數，并進一步抑制量化噪聲。圖2顯示了基于Σ-Δ的傳感器框圖，其中的MEMS與特殊應用集成電路(ASIC)連接在一起組成了一個完整的傳感器。這個系統還集成了一個額外的Hcomp塊，用于補償環路并保持其穩定性。

圖2：基于Σ-Δ的閉環傳感器框圖

這種閉環傳感器的系統級設計將確定各個MEMS和ASIC參數的最優值，比如剛度(k)、間隙距離(X0)、阻尼系數(D)、激勵電壓(VACT)和ASIC噪聲。為了確保Σ-Δ環路的穩定工作，傳感器的輸入信號不能超過反饋信號。因此激勵電壓值VACT定義了給定MEMS參數集條件下允許的最大輸入信號。然而，為了允許大的輸入信號范圍而產生大的VACT會導致功耗加大，而且有時要求采用特殊的ASIC技術才能允許高壓工作。ASIC技術的選擇將影響到傳感器的總體成本。更重要的是，VACT允許的最大值受MEMS吸合電壓Vp的限制。

MEMS間隙距離(X0)是系統能否實現低噪聲工作的一個關鍵參數。減小X0會產生更高的Cd和Kx/c，并因此增加MEMS前向增益(靈敏度)。高靈敏度可以減少ASIC噪聲對以傳感器輸入為參考的噪聲的影響。另一方面，MEMS的布朗噪聲功率直接正比于阻尼系數(D)。總的傳感器噪聲由MEMS噪聲和ASIC噪聲組成。可以根據傳感器總體目標性能、MEMS靈敏度和阻尼系數估計最大可容忍的ASIC噪聲值。應該注意的是，可以達到的最小X0受MEMS技術的限制。X0值對最大輸入范圍的影響，取決于激勵電壓(VACT)是否受限于MEMS的吸合電壓。如果VACT受吸合電壓的限制，那么減小X0將導致允許的最大輸入信號范圍減小。如果VACT不受吸合電壓的限制，那么X0的減小和激勵電容(Ca)及KV/F的改進可形成更高的反饋力，最終形成更大的輸入范圍。

MEMS單元的剛度(k)是一個重要的系統設計參數，因為它可以在MEMS單元中得到很好的控制，不像X0，其最小值受MEMS技術的限制。假設ASIC噪聲主導傳感器噪聲，那么可實現的最大動態范圍(VACT設為吸合之前的最大允許值)將獨立于一階k值。這是因為增加k不僅會降低MEMS靈敏度，增加以傳感器輸入為參考的ASIC噪聲，而且也會使反饋力增加同樣的數量，因為這種方法允許在更高的VACT時工作。在MEMS噪聲主導傳感器性能的情況下，應增加k值，以便支持更大的動態范圍。而在工作不受吸合限制的情況下，最好是減小k值，從而提高MEMS靈敏度，減小ASIC噪聲對傳感器噪聲的影響。需要注意的是，k值會改變MEMS單元的諧振頻率。在開環傳感器中，諧振頻率設定了傳感器帶寬的上限，而對閉環系統來說不是這樣。因此k值可以根據動態范圍和噪聲要求進行設置。

傳感器性能對MEMS和ASIC參數的高度依賴性表明，閉環傳感器的系統級設計需要做大量的折衷考慮，其中的ASIC噪聲預算、激勵電壓、功耗和技術都高度依賴于MEMS參數。因此為了實現最優的傳感器，強烈推薦基于傳感器總體目標規格的ASIC與MEMS協同設計方法，而不是針對已經設計好的MEM再進行ASIC設計。