多通道硅微谐振式加速计的分时共用振荡检测电路设计方法研究

Silicon Oscillating Accelerometer (SOA) is a kind of Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) based inertial sensors which detects the resonant frequency change against the acceleration change through force-frequency translation. The current SOA readout-circuit topology employs continuous-time self-sustaining oscillation circuit with amplitude control, but it has the following problems, the feed-through capacitance of the transducer affects frequency stability and frequency noise significantly; the flicker noise in the oscillation circuit affects frequency noise and limits the bias-instability performance; multi-channel readout circuits are need to interface multiple transducers, which have bad consistency, increase power consumption and introduce additional temperature rise. This project plans to propose a time-interleaved discrete-time oscillating readout topology for multi-channel transducers based on ASIC platform to solve the above problems. This project intends to employ discrete oscillation circuit using time-interleaved operation of driving and sensing to eliminate the influence of feed-through capacitance, meanwhile propose a time-interleaved topology using a common oscillating readout circuit for multiple transducers to attenuate 1/f noise and temperature drift, improve consistency and reduce power consumption. This project intends to realize an ASIC readout and measurement technique for SOA applied in high-accuracy navigation systems.

硅微谐振式加速度计是一种基于力频转换特性来检测运动载体的加速度变化的微机电系统（MEMS）惯性传感器，其检测电路一般采用连续时间稳幅自激振荡电路，该检测方式具有以下弊端：敏感结构的馈通电容显著改变频率稳定性并影响频率噪声；振荡电路中的1/f噪声影响频率噪声并制约零偏不稳定性；多通道谐振器需要对应的多通道检测电路，一致性较差，提高了功耗并引入额外温升。本项目拟研究一种基于ASIC平台的多通道谐振器分时复用振荡电路检测方法，解决连续时间稳幅振荡模式的上述问题与不足。拟采用驱动与检测的分时工作的离散振荡电路设计，消除馈通电容的影响；并采用多谐振器分时共用单一的检测电路的方法，抑制1/f噪声和温度漂移，提高多谐振器振荡的一致性，降低功耗。通过本项目的研究，可得到一种适用于高精度导航系统的硅微谐振式加速度计的ASIC检测技术。

MEMS高精度谐振式加速度计传感器的原理时利用传感器的自然谐振频率变化来检测系统加速度的变化。其检测电路的核心是自激振荡电路，通过检测传感器的输出电流，转换为电压后又施加在传感器上，形成正反馈振荡电路，因此其电信号频率等于传感器机械振荡频率，并反映了加速度的输入加速度。根据国内外研究机构的文献报道，该检测模式存在的局限和问题主要表现为：.1）.敏感结构的驱动和检测端存在馈通电容，导致驱动端的信号直接影响检测信号，因此敏感结构的频率特性会发生显著变化，同时检测电路的频率噪声也会受到影响。.2）.谐振结构的振荡具有很强的非线性，其幅度-刚度效应会使得电路中的低频闪烁噪声调制到振荡信号的边带，耦合成为频率噪声，制约零偏稳定性能。.3）.含有两个差分谐振器的加速度计需要两个通道的检测振荡电路，提高了系统的面积和功耗，并引入和额外的噪声和温度误差，同时受到加工误差的影响，一致性和鲁棒性很差。.针对上述问题，本项目开展了谐振式加速度计系统的检测电路研究，通过降低馈通电容的影响、降低电路的低频闪烁噪声、提高抗加工误差能力等方法，设计了一种基于离散时间分时复用技术的自激振荡电路和幅度控制检测电路，达到零偏性能更佳、鲁棒性更强、功耗更低的目标。.本项目设计的检测电路的零偏不稳定性和稳定性初步测试均达到<1μg的性能，两路差分通道的一致性和鲁棒性较申请人以往见刊的设计得到了较大提升，该设计在片上集成了环路滤波器，节省了后续PCB成本。基于离散时间的检测系统，为后续设计3轴加速度计的6通道检测电路提供了面积利用率更高的理论基础和实现方案。同时，过程中的衍生设计的高精度电容检测电路和Sigma-Delta ADC电路达到了<1aF/Hz1/2和<0.2μV/Hz1/2的分辨率，并用于后续的多个项目中。