《VLSI系统设计》PPT课件.ppt

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1、VLSI系统设计,第6章 集成微系统（MEMS）（2011-2012）,（2）,6.1 MEMS器件概念一个例子:NMOSFET谐振栅晶体管（RGT）,.1,（3）,MEMS器件,电容变化引起沟道电荷变化。Q=CV和MOS管相比，工作原理发生变化。但仍是四端器件,6.1 MEMS器件概念一个例子:NMOSFET谐振栅晶体管（RGT）,.1,（4）,6.1 MEMS器件概念微系统集成的问题,.1,工艺兼容性；材料复用性；描述一致性和仿真一致性；设计复杂性；处理电路多样性。MEMS-采样/放大；调制-解调；模数变换；数字信号处理；,（5）,6.1 MEMS器件概念几种简单的MEMS结构,1.简单梁

2、结构,.1,（6）,6.1 MEMS器件概念几种简单的MEMS结构,1.简单梁结构,.1,（7）,6.1 MEMS器件概念几种简单的MEMS结构,2.简单膜结构,.1,（8）,6.1 MEMS器件概念几种简单的MEMS结构,3.多方向运动结构,.1,（9）,6.1 MEMS器件概念几种简单的MEMS结构,.1,4.执行运动结构,（10）,6.1 MEMS器件概念几种简单的MEMS结构,.1,（11）,6.1 MEMS器件概念几种简单的MEMS结构,.1,（12）,6.1 MEMS器件概念多能域问题和复杂性设计问题,单片集成系统=MEMS+电路,描述:,力学热学电学 光学.,电学&微电子学,.1

3、,（13）,6.1 MEMS器件概念多能域问题和复杂性设计问题,单片集成系统=MEMS+电路,力学热学电学 光学.,电学&微电子学,统一描述:,电路网表,.1,（14）,6.2 集成微系统1、集成湿度传感器,.2,瑞士Sensirion公司SHT11/15型湿度温度传感器,（15）,6.2 集成微系统 1、集成湿度传感器,.2,（16）,6.2 集成微系统 1、集成湿度传感器,.2,传感器,聚合物感湿材料介电常数随湿度而改变。导致电容大小改变。,（17）,6.2 集成微系统 2、集成加速度传感器,.2,（18）,6.2 集成微系统 2、集成加速度传感器,.2,静止极板与运动极板间距因加速度而变

4、。导致电容大小改变。,（19）,6.2 集成微系统 3、集成胎压传感器,.2,（20）,6.2 集成微系统3、集成胎压传感器,.2,压力使极板间距改变。导致电容值改变。,（21）,6.2 集成微系统4、集成陀螺仪,.2,（22）,6.2 集成微系统 4、集成陀螺仪-执行器+传感器,.2,（23）,6.2 集成微系统 4、集成陀螺仪-执行器+传感器,.2,MEMS陀螺,（24）,6.2 集成微系统 4、集成陀螺仪-执行器+传感器,.2,陀螺结构与原理,哥氏力产生的非振动方向的运动引起梳齿相对运动。导致电容值改变。,（25）,6.2 集成微系统 5、集成数字微镜DMD-执行器,.2,（26）,6.

5、2 集成微系统 5、集成数字微镜-执行器,.2,（27）,6.2 集成微系统 5、集成数字微镜-执行器,.2,单芯片投影系统,三芯片投影系统,（28）,6.2 集成微系统 5、集成数字微镜-执行器,.2,DMD是MEMS执行器的应用示例，利用寻址方式控制静电驱动方式工作。,（29）,6.3 微弱信号处理,.3,电容检测 压阻检测 压电检测 隧道检测 热流式检测技术 谐振式检测技术 光纤式检测技术,（30）,6.3 微弱信号处理电容检测,.3,传感电容pf量级，电容变化af量级 噪声信噪比问题设计低噪声，抗干扰能力强的微弱信号检测电路是电容式传感器的关键之一电容的微小变化量转化为频率，电流，电压

6、C-F、C-I、PWM、C-V(电容电桥、开关电容法、电荷放大法),（31）,6.3 微弱信号处理C-F方法,.3,多谐振荡器,I1I2,充电过程：开关闭合,放电过程：开关断开,（32）,6.3 微弱信号处理C-I方法,.3,初始情况:Cs上电压为0；比较器输出为0，M1、M2截止。,有效:Cs上电压不能突变，比较器反相端为Vref，比较器输出为Vss，M2导通。Cs放电，比较器反相端趋于0，输出趋于0，M2截止。,有效:Cs放电到0电压。,（33）,6.3 微弱信号处理 PWM方法,.3,传感器以差分电容形式变化,（34）,6.3 微弱信号处理 C-V 法(电容电桥法),.3,（35）,6.

7、3 微弱信号处理 C-V法(开关电容法),.3,在1为高电平时，C1和Cref 放电，Cs充电。此时存储在Cs两端的电荷Qs为：,在2为高电平时，C1和Cref 充电，Cs放电。此时存储在Cref 两端的电荷Qref 为：,C1上电荷Q1为：输出电压为:,开关电容电路的形式非常多，但基本原理相同。,（36）,6.3 微弱信号处理C-V法（电荷放大法）,.3,电阻的作用是为运放提供直流反馈，使得反相输入为零。,（37）,6.3 微弱信号处理载波调制方法单路载波,.3,两路电荷放大电路,（38）,6.3 微弱信号处理载波调制方法双路载波,.3,两路电荷求和,采用高频载波进行调制，可以有效避开1/f 噪声对电路的影响,（39）,6.3 微弱信号处理噪声处理斩波技术,.3,使用调制技术将信号转到更高的频率，此频段放大器没有1/f 噪声，然后在经过放大后解调回基带，由于斩波不会提高白噪声部分，所以斩波更适合低噪声电路。,（40）,小结：,.3,MEMS技术将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微机电系统。,