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        一種適用無源RFID 的集成加速度傳感器設(shè)計*

        2015-04-01 12:18:34鄧芳明何怡剛
        傳感器與微系統(tǒng) 2015年10期
        關(guān)鍵詞:梳齒電容式無源

        陳 宏,鄧芳明,何怡剛,吳 翔

        (1.華東交通大學(xué) 軌道交通學(xué)院,江西 南昌330013;2.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥230009;3.華東交通大學(xué) 電子與電氣學(xué)院,江西 南昌330013)

        0 引 言

        射頻識別(RFID)技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù),它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象獲取數(shù)據(jù),是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。RFID 標(biāo)簽按照工作方式可以分為有源標(biāo)簽、半有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽三類,其中,無源RFID 標(biāo)簽由于無需內(nèi)置電池、成本低且使用周期長,更加廣泛地被應(yīng)用于實際生產(chǎn)生活中[1]。無源RFID 標(biāo)簽利用標(biāo)簽天線接收RFID 閱讀器發(fā)送的無線信號,并經(jīng)標(biāo)簽內(nèi)部的整流器和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換為直流電壓為后續(xù)電路供電。因此,功耗是無源RFID 標(biāo)簽最關(guān)鍵的性能指標(biāo),它決定了RFID 標(biāo)簽的最大工作距離。

        電容式加速度傳感器具有功率耗散低、靈敏度高、溫度效應(yīng)小、加工工藝不復(fù)雜、集成容易等優(yōu)點,是目前應(yīng)用很廣泛的一種加速度傳感器[2]。作為集成電路主流制造工藝的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝可以很容易地將傳感器、存儲器、信號處理電路及接口電路等集成在一起,而集成的接口電路具有更高的準(zhǔn)確性、更小的芯片面積及更低的功耗,因此,采用CMOS 工藝制造電容式MEMS 加速度傳感器具有很大吸引力。

        電容式加速度傳感器以電容形式接入接口電路,因此,集成加速度傳感器的主要功耗來源于接口電路。近年來,國際上針對電容式傳感器接口電路中電容/數(shù)字轉(zhuǎn)換提出了幾種設(shè)計方法。傳統(tǒng)電容式傳感器接口電路[3]首先采用電容/電壓轉(zhuǎn)換器,產(chǎn)生一個與傳感器電容和參考電容差值呈正比例的電壓信號,再經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器(ADC)完成電壓/數(shù)字轉(zhuǎn)換。這種設(shè)計方法能夠獲得高速和高分辨率性能,但由于采用了ADC,電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,功耗甚高(常達到mW 級),不適合無源應(yīng)用。文獻[4]針對上述設(shè)計方法,采用反相器替代完成運算放大器功能,極大降低了整體電路功耗,但仍采用了較高的電源電壓。文獻[5]基于脈沖寬度調(diào)制法,首先將傳感器電容值變化轉(zhuǎn)換到時域,再將時域信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的數(shù)字信號。這種方法適合應(yīng)用于傳感器電容變化范圍大的設(shè)計中,但電路復(fù)雜,轉(zhuǎn)換速度慢,也不適合無源低功耗設(shè)計。至今為止,國際上所報道的集成加速度傳感器接口電路都僅采用電容/電壓轉(zhuǎn)換方案[6,7],且整體功耗達到mW 級。

        本文旨在設(shè)計一種功耗μW 級的集成電容式加速度傳感器,以滿足無源RFID 標(biāo)簽及其它超低功耗應(yīng)用需求。

        1 加速度傳感器原理

        根據(jù)平行板電容器的計算公式C=ε0εrA/d 可知,改變極板疊合面積A、極板間隙d 或極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr等參數(shù)可以來調(diào)節(jié)電容值的大小,因此,電容式結(jié)構(gòu)將加速度物理量轉(zhuǎn)換為電信號的方法有變間隙、變面積、變介電常數(shù)3 種[8]。本文采用變面積電極結(jié)構(gòu),可以在結(jié)構(gòu)上避免差分電容引入的非線性。原理分析如下:

        在沒有加速度作用時,如圖1(a)所示,敏感質(zhì)量塊處于平衡位置。

        圖1 梳齒電容式加速度傳感器檢測原理Fig 1 Detection principle of comb capacitive acceleration sensor此時差分電容為

        其中,ε0為真空介電常數(shù),εr為相對介電常數(shù),N 為梳齒電容極板對數(shù),h 為梳齒電容極板厚度,L0為梳齒電容極板交叉重疊長度,C0為平衡位置時電容值。

        如圖1(b)所示,當(dāng)外加加速度不為零時,敏感質(zhì)量塊偏移平衡位置,活動梳齒與固定梳齒交疊長度發(fā)生變化為

        從而引起差動電容變化

        則總的電容變化量為

        由式(7)可知,差分電容變化量與梳齒的交疊長度變化量ΔL 完全呈線性關(guān)系。

        又當(dāng)頻率明顯低于諧振頻率時,質(zhì)量塊的位移加速度比可以表示為

        其中,ΔL 為位移,即梳齒的交疊長度變化量,a 為加速度,m 為敏感質(zhì)量塊質(zhì)量,k 為彈性梁的彈性系數(shù),ωr為微結(jié)構(gòu)的諧振頻率。由于m,k,ωr均為定值,可以得出位移與加速度保持良好的線性關(guān)系。

        2 CMOS-MEMS 工藝

        圖2 所示為從單晶硅襯底的背面采用深反應(yīng)離子刻蝕的加工工藝,首先通過刻蝕結(jié)構(gòu)背部以確定其厚度,如圖2(a)所示;對SiO2進行異性刻蝕,如圖2(b),以使Si 在電學(xué)上隔離;并如圖2(c)所示將頂部的4 層金屬Al 刻蝕掉;然后,如圖2(d)所示,對Si 先后進行深度的異性刻蝕和同性刻蝕來切掉絕緣橫梁下的Si,使檢測電容之間,以及與Si 襯底之間相互隔離開;接著,再次對SiO2進行異性刻蝕,產(chǎn)生錨點、梳齒電容、彈簧等微結(jié)構(gòu)(圖2(e));最后,再次對Si 進行深度刻蝕來釋放微結(jié)構(gòu),如圖2(f)所示。

        圖2 CMOS 工藝流程Fig 2 CMOS process flow

        3 接口電路

        本文基于鎖相環(huán)原理,設(shè)計了一種全數(shù)字電容式傳感器接口電路,直接將傳感器電容值變換到頻率域進行數(shù)字轉(zhuǎn)換,有利于采用更低的電源電壓[9],如圖3 所示,它包含傳感器控制振蕩(SCO)、數(shù)字控制振蕩器(DCO)和鑒相器(PD)三個模塊。SCO 和DCO 都采用三級反相器結(jié)構(gòu)的環(huán)形振蕩器。傳感器電容Csens作為可變電容負(fù)載接入SCO的一級中,由此產(chǎn)生一個傳感器控制的振蕩頻率fsens。PD鑒別SCO 和DCO 的相位差產(chǎn)生一個二進制輸出bout,且bout控制DCO 的可變負(fù)載產(chǎn)生一個受控的振蕩頻率fdig。DCO的可變負(fù)載由兩電容Co和Cm并聯(lián)組成。電容Co被設(shè)計成與傳感器電容Csens的靜態(tài)值相等,電容Cm被設(shè)計成略大于Csens的最大可變范圍,且受PD 輸出bout控制,從而斷開或接入DCO 中。鑒相器PD 是由簡單的D 觸發(fā)器構(gòu)成。當(dāng)整個環(huán)路穩(wěn)定的情況下,DCO 的輸出頻率fdig在一個周期內(nèi)表現(xiàn)為大于或小于fsens,但是fdig的平均值與fsens相等。因此,鑒相器輸出bout就代表了傳感器電容值所對應(yīng)的數(shù)字信號。

        圖3 本文設(shè)計的電容式傳感器接口電路圖Fig 3 Interface circuit of the proposed capacitive sensor

        在低功耗應(yīng)用中,環(huán)形振蕩器中的反相器常常采用電流受限型反相器以降低功耗。雖然電流受限型反相器需要采用更高的電源電壓,但可以采用更低的工作電流,提高了振蕩器的溫度穩(wěn)定性,降低了整體功耗。本文采用一種新型的環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)如圖4 所示,M1~M6構(gòu)成電流受限型三級反相器結(jié)構(gòu),M7~M9和M10~M12構(gòu)成反相器的電流鏡,相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),MH1,MH2和ML1,ML2額外加入為鉗制前兩級反相器的輸出電壓擺幅為

        其中,VGSL為ML1的柵源電壓,VGSH為MH1的柵源電壓,VDS10為M10的漏源電壓,VDS7為M7的漏源電壓。前兩級反相器采用內(nèi)部限幅結(jié)構(gòu)降低了動態(tài)功耗,而第三級輸出級維持大信號輸出擺幅以滿足后續(xù)電路的驅(qū)動需求。

        4 測試結(jié)果分析

        本文設(shè)計的加速度傳感器及其接口電路,采用臺積電0.35 μm CMOS 2P4M 工藝制造,芯片圖如圖5 所示。

        在振動臺參考頻率為150 Hz 下進行加速度傳感器靈敏度和非線性的測試,測試結(jié)果如圖6 所示。利用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行二次擬合,根據(jù)測試結(jié)果可計算出在-8 ~+8 gn范圍內(nèi)加速度傳感器的靈敏度約為1.64×104quants/gn

        圖4 本文采用的環(huán)形振蕩器電路圖Fig 4 Circuit diagram of the proposed ring oscillator

        圖5 本文設(shè)計的CMOS-MEMS 加速度傳感器芯片圖Fig 5 Chip diagram of the designed CMOS-MEMS acceleration sensor

        圖6 加速度傳感器線性測試曲線Fig 6 Linear test curve of acceleration sensor

        在敏感方向加載加速度幅值為2 gn的振動信號,測試了1 ~6 kHz 的頻率響應(yīng),得到幅頻特性曲線,如圖7 所示??芍铀俣葌鞲衅鞯闹C振頻率為4.3 kHz,比設(shè)計值略小,這是因為光刻時有線條損失,導(dǎo)致彈性梁的梁寬變窄,進而彈性系數(shù)變小,導(dǎo)致諧振頻率變小。

        圖7 加速度傳感器共振頻率測試圖Fig 7 Test charts of resonance frequency of acceleration sensor

        針對零偏的溫度穩(wěn)定性進行了測量,將加速度傳感器系統(tǒng)平穩(wěn)地置于高精度恒溫水油槽中,并平置于水平隔振臺上,讓加速度系統(tǒng)處于零加速度輸入狀態(tài),保持在15 ℃下,每隔1 s 采集一個數(shù)據(jù),共采集3 000 s,結(jié)果如圖8。

        圖8 加速度傳感器3 000 s 內(nèi)溫度輸出穩(wěn)定性Fig 8 Temperature output stability of acceleration sensor within 3 000 s

        表1 將本文設(shè)計的全數(shù)字電容式傳感器接口電路與近年來國內(nèi)外文獻中設(shè)計的電容式接口電路進行了性能對比。本文設(shè)計的接口電路結(jié)構(gòu)簡單,只占用了0.20 mm2芯片面積,1.0 V 電源電壓下僅消耗了1.35 μW 功率。雖然文獻[5,9]的方案也獲得了同數(shù)量級的低功耗,但文獻[5,9]分別采用了更先進的工藝,制造成本較高,且文獻[9]只獲得了8.1 bits 的有效位數(shù)(ENOB)。

        表1 集成電容式傳感器接口電路性能對比Tab 1 Performance comparison of interfaces circuit of integrated capacitive sensor

        5 結(jié) 論

        本文針對無源RFID 傳感器標(biāo)簽的應(yīng)用要求,采用臺積電0.35 μm CMOS 工藝設(shè)計了一種集成加速度傳感器。傳感器單元采用從單晶Si 襯底的背面進行深反應(yīng)離子刻蝕工藝,背面刻蝕完成后再正面對金屬和介質(zhì)復(fù)合層進行各向異性刻蝕。相比于傳統(tǒng)加速度傳感器接口電路,本設(shè)計基于鎖相環(huán)原理,將傳感器信號轉(zhuǎn)移到頻率域處理,避免了高功耗的ADC的使用。后期測試結(jié)果顯示:本文設(shè)計的集成加速度傳感器獲得了良好的線性度和穩(wěn)定性,所占面積小,功耗低,特別適用應(yīng)用于無源傳感器標(biāo)簽設(shè)計中。

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