Analysis of Temperature Characteristic and Design of Interface ASIC Based on Ring Schottky Diode for MEMS Gyroscope*

SHEN Guangchong，LU Wengao，LIU Mingxing，LI Xiaoliang，ZHANG Yacong，CHEN Zhongjian

(1.School of Electronic and Computer Engineering，Peking Universit Shenzhen Guangdong 518055，China; 2.National Key Laboratory of Science and Technology on Micro/Nano Fabrication，Peking University，Beijing 100871，China)

Analysis of Temperature Characteristic and Design of Interface ASIC Based on Ring Schottky Diode for MEMS Gyroscope*

SHEN Guangchong1，2，LU Wengao2*，LIU Mingxing2，LI Xiaoliang1，2，ZHANG Yacong2，CHEN Zhongjian2

(1.School of Electronic and Computer Engineering，Peking Universit Shenzhen Guangdong 518055，China; 2.National Key Laboratory of Science and Technology on Micro/Nano Fabrication，Peking University，Beijing 100871，China)

This paper describes the design of interface ASIC based on ring Schottky dioed for MEMS gyroscope and analyzes influence of temperature characteristic of Schottky diode to the interface ASIC.A carrier of 1MHz is used to drive the mass and move the variation signal to the region nearby 1MHz by modulation.The modulated signal is demodulated by ring Schottky diode.This scheme can amplify signal of gyroscope effectively.It shows that the non-ideality of Schottky diode varies gain of the circuit.Feedback resistor with negative temperature coefficient is used to decrease total temperature coefficient.This circuit is implemented in 0.18 μm CMOS process.

ASIC;MEMS gyroscope;ring Schottky diode;temperature characteristic

MEMS陀螺儀是用來檢測運(yùn)動(dòng)物體角速度信號(hào)的慣性傳感器件，在汽車電子與消費(fèi)電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，甚至在國防與航空等領(lǐng)域也有應(yīng)用報(bào)道［1］。相比于傳統(tǒng)陀螺儀，MEMS陀螺儀可以使用成熟的MEMS工藝制造，具有成本低，體積小，功耗低，以及易于同ASIC電路集成的優(yōu)點(diǎn)［2-3］。但是，MEMS陀螺儀性能和傳統(tǒng)陀螺儀相比還有很大差距［4］。理想的MEMS陀螺儀具有固定的參數(shù)，對(duì)噪聲不敏感，但是真實(shí)的MEMS陀螺儀由于制造工藝的偏差，會(huì)存在各種干擾和耦合，因此設(shè)計(jì)閉環(huán)控制電路補(bǔ)償陀螺儀中的各種非理想因素，已經(jīng)成為設(shè)計(jì)高性能MEMS陀螺儀的主要方法［5］。作為閉環(huán)控制電路的前端接口部分，接口電路的噪聲、精度、動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度直接影響到閉環(huán)控制電路的性能［6-7］。

本文分析了MEMS陀螺儀讀出電路的原理，提出了環(huán)形肖特基二極管與跨阻放大器結(jié)構(gòu)，理論分析了它的功能與溫度特性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款MEMS陀螺儀接口ASIC電路，適用于諧振頻率3 kHz～10 kHz的MEMS陀螺儀。

1 MEMS陀螺儀與電路原理分析

MEMS陀螺儀基于科里奧里力效應(yīng)［8］，是一種線振動(dòng)陀螺儀。圖1所示是EMMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)圖。它包含兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)，即驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測模態(tài)［9］。其中，沿驅(qū)動(dòng)軸即x軸方向給質(zhì)量塊施加正弦激勵(lì)，質(zhì)量塊做正弦運(yùn)動(dòng)，如果在z軸方向施加一個(gè)角速度Ω，將在檢測軸即y軸方向產(chǎn)生一個(gè)科氏力，使質(zhì)量塊在y軸方向發(fā)生位移，從而改變檢測軸檢測電容的大小。

圖1MEMS陀螺儀結(jié)構(gòu)

當(dāng)電容兩邊存在電壓差時(shí)，電容大小改變會(huì)影響電容極板上的電荷，電荷的移動(dòng)形成電流，當(dāng)該電流流經(jīng)電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，從而檢測電容的改變被轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電路擅長處理的電壓信號(hào)。然而，檢測電容改變引起的電流非常微弱，如果采用很大的電阻對(duì)該電流放大，將引入熱噪聲。在本設(shè)計(jì)中采用了高頻載波調(diào)制方案［10］:在陀螺儀的質(zhì)量塊上施加一個(gè)MHz量級(jí)的載波，電容變化信號(hào)會(huì)以載波頻率量級(jí)放大，從而極大的減輕了電路設(shè)計(jì)的壓力，這將在第2節(jié)分析證明。

2 電路原理分析與設(shè)計(jì)

環(huán)形肖特基二極管和跨阻放大器［11］TIA模塊是本設(shè)計(jì)接口電路的第1級(jí)，下文將對(duì)該電路功能與溫度特性進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖2環(huán)形肖特基二極管與TIA

圖2 所示是環(huán)形肖特基二極管和TIA的結(jié)構(gòu)框圖。肖特基二極管具有比較低的勢(shì)壘和較高的截止頻率［12］。環(huán)形二極管常應(yīng)用在調(diào)制解調(diào)器中，結(jié)構(gòu)簡單，功耗低。Vd+Vccosωct表示施加在陀螺儀質(zhì)量塊上的載波，Cs和ΔCcosωst分別表示陀螺儀檢測電容的靜態(tài)和可動(dòng)部分。首先，我們假設(shè)肖特基二極管為理想開關(guān)，然后我們考慮了非理想肖特基二極管的溫度特性，在這兩種情況下，推導(dǎo)了該電路輸出表達(dá)式。

2.1 理想肖特基二極管

假設(shè)肖特基二極管的閾值電壓為0，導(dǎo)通電阻為0，反向電阻無窮大，這樣，肖特基二極管可以看做一個(gè)理想開關(guān)。當(dāng)載波的電壓上升時(shí)，肖特基二極管1和3導(dǎo)通，2和4截止，有Vxp=Vip和Vxn= Vin，可以得到公式，

當(dāng)載波電壓下降時(shí)，肖特基二極管2和4導(dǎo)通，1和3截止，有Vxp=Vin和Vxn=Vip，可以得到公式

假設(shè)TIA中放大器具有有限增益A，且A≥1，則通過負(fù)反饋?zhàn)饔?，運(yùn)放輸入點(diǎn)的差模信號(hào)Vip-Vin極小。將式(3)和式(4)相加，忽略(Vip-Vin)·ΔCcosωst的影響，有其中Vicm表示輸入點(diǎn)共模電壓，Vocm表示輸出點(diǎn)共模電壓。該公式可以指導(dǎo)合理選擇反饋電容Cf和Vc，防止運(yùn)放輸入點(diǎn)共模電壓超出正常范圍，從而影響TIA的正常工作。同樣，可以得到TIA輸出差模信號(hào)

從(7)可以看出，Vod與載波的頻率與幅度成正比。通常載波頻率在MHz量級(jí)，因此電容變化信號(hào)得到極大地放大，從而降低了對(duì)前端電路增益的要求。

2.2 非理想肖特基二極管特性及溫度特性

正向?qū)ǚ蔷€性，反向特性和電荷存儲(chǔ)效應(yīng)是導(dǎo)致二極管非理想的幾個(gè)主要方面［13］。在我們的設(shè)計(jì)中，溫度特性是主要考慮的問題，溫度變化會(huì)改變肖特基二極管的閾值電壓VD和導(dǎo)通電阻Ron。相比于載波頻率的變化，溫度變化非常緩慢，所以可以將溫度變化引起的VD和Ron的改變看作關(guān)于時(shí)間慢變函數(shù)。設(shè)Vsd，m表示肖特基二極管m(m=1、2、3或者4)的導(dǎo)通電壓，則有

其中maxωT，n≤ωs。

當(dāng)載波電壓上升時(shí)，有

當(dāng)載波電壓下降時(shí)，有

假設(shè)4個(gè)肖特基二極管是完全匹配的，聯(lián)合方程(8)～(10)可以得到

根據(jù)本設(shè)計(jì)中的典型值，假設(shè)在1 s內(nèi)，溫度從300 K變化到310 K，基于仿真可以得到，肖特基二極管的電阻從1.578 kΩ變化到1.532 kΩ?？梢哉J(rèn)為max(ωT，n)≈3.14 rad/s且max(Rsd，n)≈23 Ω。根據(jù)這些參數(shù)可以得到max(αn)≈4.6×10-13。αn如此微小，我們可以忽略它的影響，則有

同樣可以求得，TIA差模輸出電壓

式(11)中，N1項(xiàng)可以被高通濾波器濾除。使用上面的典型值，可求得max(β2，n)≈3×10-14，max(β3，n) =8×10-7且max(β4，n)=3.4×10-5，所以N2和N3可以忽略不計(jì)。N4僅引入一個(gè)小的相移。略去N1、N2和N3，則有

其中θ表示N4引入的相移。

由式(12)可以看出，肖特基二極管的閾值電壓隨溫度的漂移會(huì)改變電路增益，影響差模輸出電壓。

2.3 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于2.1節(jié)與2.2節(jié)的分析，基于環(huán)形肖特基二極管與TIA結(jié)構(gòu)的電路可以正確讀出陀螺儀檢測信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。肖特基二極管的溫度特性會(huì)影響電路輸出增益，貢獻(xiàn)一個(gè)正溫度系數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，采用具有負(fù)溫度系數(shù)的p摻雜多晶硅電阻作為TIA反饋電阻Rf，從而降低整體電路的溫度系數(shù)。

本文完成了MEMS陀螺儀閉環(huán)控制系統(tǒng)的模擬接口部分設(shè)計(jì)。該電路將MEMS陀螺儀電容振動(dòng)信號(hào)讀出，并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。圖3是該電路的結(jié)構(gòu)框圖。圖中，圓角矩形方框表示MEMS陀螺儀，直角矩形框表示模擬接口電路?？梢钥闯觯撓到y(tǒng)由完全對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)軸和檢測軸構(gòu)成，這樣可以減小電路本身引入的驅(qū)動(dòng)軸與檢測軸之間的相位差。這個(gè)相位差會(huì)降低角速度信號(hào)的解調(diào)效率。

圖3 模擬接口電路框圖

本設(shè)計(jì)中，在陀螺儀質(zhì)量塊上施加一個(gè)頻率為1 MHz的載波，將MEMS陀螺儀檢測電容的變化信號(hào)調(diào)制到高頻載波附近。使用環(huán)形肖特基二極管對(duì)該已調(diào)信號(hào)解調(diào)，同時(shí)將陀螺儀的低頻噪聲調(diào)制到高頻附近?？缱璺糯笃?TIA)將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，同時(shí)TIA具有低通濾波器的功能，將高頻噪聲濾除。電容式放大器(PGA)增益可調(diào)，對(duì)信號(hào)繼續(xù)放大。低通濾波器(LPF)和高通濾波器(HPF)，進(jìn)一步衰減信號(hào)中的高頻干擾和低頻噪聲，同時(shí)有源結(jié)構(gòu)的HPF可以保證輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。

3 仿真結(jié)果

仿真條件為溫度300 K，電源電壓5 V，驅(qū)動(dòng)軸與檢測軸驅(qū)動(dòng)電壓頻率都是8 kHz。驅(qū)動(dòng)軸與檢測軸輸出信號(hào)間的延時(shí)差為16 ns，相位差為0.05°。

圖4所示為不同溫度下的肖特基二極管I-V特性，當(dāng)溫度由-40℃變?yōu)?25℃時(shí)，閾值電壓單調(diào)下降?；谑?10)、式(12)，電路輸出共模信號(hào)和差模信號(hào)與肖特基二極管閾值電壓成反比。

圖4肖特基二極管I-V特性

圖5 所示為仿真結(jié)果，隨著溫度上升，肖特基二極管閾值電壓單調(diào)下降，電路輸出共模信號(hào)和差模信號(hào)單調(diào)上升。理論結(jié)果與仿真結(jié)果具有相同趨勢(shì)。

圖5Vicm和Vod隨溫度變化

4 測試結(jié)果

4.1 電路實(shí)現(xiàn)

該電路基于0.18 μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，圖6是該電路的版圖照片，面積是1.5 mm×2.3 mm。驅(qū)動(dòng)與檢測軸電路幾乎完全對(duì)稱，這樣可以降低驅(qū)動(dòng)軸與檢測軸之間的相位差。數(shù)字接口，電流基準(zhǔn)和測試模塊式該電路的輔助部分。

圖6 電路版圖照片

4.2 測試結(jié)果

測試所用MEMS陀螺儀參數(shù)如下:驅(qū)動(dòng)軸Q值和諧振頻率分別為2633 Hz和7839 Hz;檢測軸Q值和諧振頻率分別為521 Hz和8054 Hz。在5 V電壓下，對(duì)該接口ASIC進(jìn)行了開環(huán)測試。

圖7所示是在固定幅度固定頻率電壓驅(qū)動(dòng)下，ASIC電路驅(qū)動(dòng)軸輸出信號(hào)，可以看出輸出信號(hào)相位落后驅(qū)動(dòng)信號(hào)90°，說明陀螺儀驅(qū)動(dòng)軸處于諧振狀態(tài)。

圖7 驅(qū)動(dòng)軸輸出信號(hào)

如圖8所示，檢測軸輸出信號(hào)幅度與載波頻率成正比，與驅(qū)動(dòng)電壓幅度呈正比，說明式(5)理論分析正確。

圖8 檢測軸輸出信號(hào)幅度-載波頻率(a)和輸出信號(hào)幅度-驅(qū)動(dòng)電壓幅度(b)

5 結(jié)論

基于0.18 μm CMOS工藝，本文設(shè)計(jì)了一款適用于MEMS陀螺儀的模擬接口電路，電路面積1.5 mm×2.3 mm。為了減小驅(qū)動(dòng)軸與檢測軸間輸出信號(hào)相位差，驅(qū)動(dòng)與檢測軸電路采用了對(duì)稱設(shè)計(jì)。考慮到肖特基二極管的溫度特性，本文對(duì)該電路的溫度特性進(jìn)行了理論分析，仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性。肖特基二極管閾值電壓隨溫度改變會(huì)直接影響電路增益，降低線性度。測試結(jié)果表明，該接口ASIC電路是有效的。

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沈廣沖(1988-)，男，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院微電子學(xué)與固體電子學(xué)碩士研究生，2011年從東南大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，主要研究方向是MEMS陀螺儀接口電路與閉環(huán)控制電路研究，sgcseu@163.com;

魯文高(1978-)，男，北京大學(xué)副教授，2005年從北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院獲得博士學(xué)位，主要研究方向?yàn)榈凸?，低噪聲接口ASIC電路與ADC，發(fā)表40余篇論文和獲得15個(gè)專利，wglu@pku.edu.cn。

基于環(huán)形肖特基二極管的MEMS陀螺儀接口ASIC電路溫度特性分析與設(shè)計(jì)*

沈廣沖1，2，魯文高2*，劉明星2，李小亮1，2，張雅聰2，陳中建2
(1.北京大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳518055;2.北京大學(xué)微米/納米加工技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100871)

完成了采用環(huán)形二極管結(jié)構(gòu)的MEMS陀螺儀接口ASIC電路設(shè)計(jì)并且理論分析了環(huán)形肖特基二極管的溫度特性對(duì)電路輸出的影響。MEMS陀螺儀系統(tǒng)采用高頻載波調(diào)制方案，在陀螺儀可動(dòng)質(zhì)量塊施加1MHz載波，將陀螺儀振動(dòng)信號(hào)調(diào)制到載波附近。環(huán)形肖特基二極管作為調(diào)制解調(diào)器，解調(diào)陀螺儀輸出已調(diào)信號(hào)得到陀螺儀振動(dòng)信號(hào)。這種方案可以有效放大陀螺儀輸出信號(hào)。理論和仿真結(jié)果表明，肖特基二極管閾值電壓隨溫度的變化會(huì)改變電路增益，引入一個(gè)正溫度系數(shù)。采用負(fù)溫度系數(shù)反饋電阻，從而降低電路總的溫度系數(shù)。ASIC電路基于0.18μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。

ASIC;MEMS陀螺儀;環(huán)形肖特基二極管;溫度特性

V241.5

A

1004－1699(2014)03－0299－05

2014-01-21修改日期:2014-02-28

C:7630

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.03.004

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11305006)