سمینار برق احساس و کنترل الکترونیکی شتاب سنج MEMS

سمینار برق احساس و کنترل الکترونیکی شتاب سنج MEMS

لطفا از این پروژه در راستای تکمیل تحقیقات خود و در صورت کپی برداری با ذکر منبع استفاده نمایید.

چکیده 

در این کار تکنیک های طراحی سیستم برای حس و کنترل جنبش ساختارهای MEMS با جرم خیلی کوچک و ظرفیت خازنی خیلی پایین تحقیق گردیده و برای ساخت شتاب سنج CMOS MEMS  مجتمع نویز پایین به کار گرفته شده است. ساختارهای CMOS MEMS با میکرو ماشین کاری سطحی ساخته شده اند که جرم کلی به اندازه خیلی کوچکتر از 9-10kg و ظرفیت خازنی کمتر از 100 fF دارند. شتاب سنج های CMOS MEMS به طور معمولی حساسیتی پایین در حدود 1mv/g و تغییرات خازنی در اثر تغییر شتاب حدود 0.4 fF/g را دارا باشند بنابراین نویز و دیگر اثرات مخرب بایستی حداقل گردند. برای شتاب سنج MEMS سه نوع منبع نویز وجود دارد: نویز الکترونیکی حاصل از واسط مدار و سنسور، نویز براونی حرارتی – مکانیکی ناشی از مصرف انرژی برای دمپ و نویز چندی کننده وقتی که سیستم شامل مبدل آنالوگ به دیجیتال هم باشد. غیرخطی های دیگری هم شامل آفست موقعیت سنسور، آفست مدار و شارژ نامطلوب در گره های امپدانس بالای سنسور وجود دارند. 

در قسمت طراحی مدار حسگر مدل نویز مداری را مطرح کرده ایم که توسط آزمایش تائید شده و دید کلی برای مصالحه در طراحی داده است. گروهی از تکنیک های مداری برای حداقل کردن نویز مداری و کاهش اثرات غیر ایده آلی های دیگر اضافه شده اند که شامل ساختار کم نویز حس ولتاژ پیوسته – زمانی براساس پایداری چاپر، حداقل کردن نویز وابسته ورودی براساس تطبیق خازنی در اتصال سنسور به مدار، بایاس dc قوی در گره احساس که به صورت پریودیک شارژ ناخواسته را ریست (reset) می کند و حذف آفست توسط تقویت کننده تمام تفاضلی. نمونه اولیه که با این تکنولوژی ساخته شده دارای کف نویز 50ug/rtHZ می باشد که نویز براونی را پوشش داده و آفست سنسور را بیش از 40dB کاهش می دهد. 

مقدمه 

در طول بیست سال گذشته پیشرفت میکروتکنولوژی قادر ساخته که سنسورهای کوچک و محرک های آن به صورت یکپارچه در یک بسته بندی ایجاد شوند. این فناوری باعث ایجاد سیستم های میکروالکترونیک و مکانیک MEMS شده است. در این گزارش دو مورد احساس و کنترل سیستم های MEMS مورد توجه قرار می گیرد. در این گزارش مدارات الکترونیکی برای سنسورهای خازنی کم نویز و سیستم های کنترل با فیدبک قوی ارائه شده است.

فصل اول 

1-1- انگیزش 

فناوری MEMS توانایی تولید سیستم های یکپارچه روی یک قطعه با قیمت پایین و عملکرد بهتر را ارائه می دهد. با این حال تکنولوژی MEMS دارای ضعف هایی مانند زیاد بودن پارامترهای نامعین و رفتارهای غیرخطی می باشد. همچنین سیستم های MEMS، نسبت سیگنال به نویز و محدوده دینامیکی پایین دارند زیرا ساختمان های ریز به تغییرات نویزی و آشفتگی خیلی حساس می باشند. 

کاربرد عمده فناوری MEMS در اندازه گیری کمیاب وابسته به اینرسی است. مطالعه نشان می دهد که میکرو شتاب سنج ها و ژیروسکوپ ها محدوده وسیعی از کاربرد در صنایع، اتوماسیون تجاری و نظامی را دارند و بیش از 20 درصد کل بازار بورس را با بیش از یک میلیون دلار به خود اختصاص داده اند. در شکل (1-1) فن آوری انواع شتاب سنج ها مورد مقایسه قرار گرفته است. 

در میان حسگرهای MEMS نوع خازنی نسبت به دیگر حسگرها، دارای اهمیت زیادی هست. و از بین مکانیزم های مختلف، برای حسگرهای خازنی دو تا جایگزین وجود دارد. سنسورهای مقاومت پیزو که به خاطر نویز حرارتی عملکرد ضعیفی دارند و بنابراین بیشتر در تولیدات (low-end) استفاده می شوند. و دیگری حسگر جریان تونل که نویز پایین تر از Mg/rtHz را می دهد. 

با این حال چون قطعات تونل نیازمند شکاف خیلی کوچک بین نوک و الکترود (10A0>) و ولتاژ بالا (10V<) است پس برای ساخت و یکپارچه سازی پیچیده و گران قیمت خواهد بود. حسگرهای خازنی مزایای ضریب حرارتی پایین، توان مصرفی پایین، نویز پایین، قیمت پایین و سازگاری با تکنولوژی VLSI را دارند. بنابراین در سال های اخیر حسگر خازنی توجه بیشتری را به خود جلب کرده و به صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفته است.