《石油勘探MEMS加速度計接口ASIC關鍵技術研究》是依託哈爾濱工業大學，由尹亮擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：石油勘探MEMS加速度計接口ASIC關鍵技術研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：尹亮
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本課題主要完成石油勘探MEMS加速度計接口ASIC晶片的低噪聲、低諧波失真參數的相關研究。針對5階sigma-delta結構MEMS加速度計，研究積分器前級噪聲、量化噪聲、系統穩定性等參數之間的折中最佳化條件。針對機械敏感結構失配、敏感前級失調、採樣噪聲混疊等非理想特性建立MEMS加速度計噪聲、諧波失真模型。完成電路噪聲與量化噪聲之間的非線性混疊效應的理論分析及驗證。結合sigma-delta噪聲分析、環路穩定性條件，分析MEMS加速度計諧波失真的最佳化參數範圍。提出一種MEMS加速度計靜電力諧波失真自檢測方法，針對方法中微機械結構失配、分時反饋時間比例、非線性電路參數等誤差因素建立自檢測方法的誤差源數學模型。在上述理論模型的基礎上完成接口ASIC流片製作，實現對數字sigma-delta結構MEMS加速度計噪聲、諧波失真理論模型驗證，為石油勘探MEMS加速度計設計提供理論指導。
結題摘要
具有數字輸出功能的高精度Sigma-Delta 微加速度計在石油勘探領域有著重要的套用價值，開展高性能閉環數字微加速度計接口ASIC晶片研究，對於提高MEMS加速度計測量精度具有重要意義。本項目針對高性能數字微加速度計接口ASIC的關鍵問題完成如下研究工作：第一，採用高品質因數（Q值）敏感結構和高階調製器的數字微加速度計在實現高精度輸出的同時存在穩定性問題，本項目從以下幾個方面來解決：(1)設計有源前置補償器電路進行深度相位補償，改善系統回響；(2)將調製器局部反饋因子設計成片外可調，使接口電路能夠適用於不同的機械結構，消除工藝誤差的影響；(3)通過參數最佳化和增益按比例縮放技術，降低積分器輸出信號擺幅，有利於穩定環路增益。第二，建立了一種ΣΔ微加速度計噪聲理論模型，經過定量計算確定主要噪聲來源於運放噪聲、開關噪聲和參考電壓噪聲。在分析運放頻寬對接口電路的噪聲影響時，綜合考慮運放建立精度和噪聲混疊效應的影響，選擇合適的運放頻寬。實際測試結果表明所研製的ΣΔ微加速度計接口ASIC可以支持敏感結構實現低於200ng/sqrt(Hz)的噪聲密度。第三，建立了一種ΣΔ微加速度計諧波失真理論模型，通過引入運放的直流增益模型，基於質量塊位移到電容變化的非線性解析出前級電荷轉換關係式。結合非線性靜電力反饋關係式，建立一種準線性的閉環ΣΔ微加速度計諧波失真理論模型。設計了一種適用於高階ΣΔ微加速度計系統的開關電容自檢測電路，仿真驗證和實驗測試表明提出的自檢測電路能夠為本項目建立的ΣΔ微加速度計諧波失真分析模型提供驗證手段，該自檢測方法可以代替傳統的振動台，提高了ΣΔ微加速度計動態測試的精度。最後，完成高精度閉環高階ΣΔ微加速度計接口ASIC晶片設計、流片及測試驗證。數字Sigma Delta加速度計接口ASIC晶片有效面積7.8mm2，等效輸入加速度噪聲小於200ng/Hz1/2，諧波失真-95dB，量程±1.2g，1Hz頻寬下動態範圍約為136dB，頻寬300Hz，非線性0.15%，偏置穩定性約為18μg，功耗23mW。上述研製成果發表於積體電路領域國際頂級期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits，數字加速度計ASIC晶片研製處於國際領先水平，上述技術成果能夠為石油勘探領域MEMS加速度計的技術進步提供重要的借鑑意義，有著廣闊的市場推廣和套用價值
