基于SOI CMOS工艺的抗辐射MEMS加速度计接口专用芯片关键技术研究

Micromachined accelerometer is a key sensing element in aeronautics and astronautics, its radiation-resistant reinforcement and low-noise techniques are key research field. Sigma-Delta(ΣΔ) digital interface ASIC for closed-loop feedback accelerometer is researched in this project based on SOI CMOS technology. With focus on the deficiencies of the noise theoretical research in SOI ΣΔ interface circuit of micromachined accelerometer, mathematical model of electrical noise, nonlinear quantization noise and nonlinear aliasing effect of electrical noise and quantization noise will be theoretically analyzed and verified. With focus on the high-order ΣΔ micromachined accelerometer, the closed-loop stability and signal dependent stability, relationship between compensation degree and stability, and control scheme of stability are researched. Stability criterions of digital accelerometer and the calculation methods of stability criterions and the range of stability will be proposed. Based on theoretical research results, low noise radiation-resistant interface AISC is designed with SOI CMOS technology, radiation-resistant reinforcement technique and redundancy design methods are researched. And the theoretical results will be verified through the chip and accelerometer measurement. The theoretical research in this project is of great significance and the designed and manufactured ASIC is very valuable and presents great potential in further application.

MEMS加速度计是航天航空领域的重要敏感器件，微加速度计的抗辐射加固技术和低噪声技术是当前研究的热点。本项目基于SOI CMOS工艺平台开展高阶Sigma-Delta(ΣΔ)数字闭环反馈加速度计接口ASIC芯片研究。针对当前SOI工艺微加速度计ΣΔ接口电路噪声理论研究不足，开展SOI工艺下电路噪声数学模型研究，非线性量化噪声模型建立，电路噪声与量化噪声非线性混叠效应的理论分析及验证。针对高阶闭环ΣΔ微加速度计系统，研究系统闭环稳定性和与输入信号相关稳定性、高阶结构的补偿程度和稳定性关系及稳定控制方案，提出衡量数字加速度计稳定性是否恶化的标准，确定稳定性的判断标准和稳定范围的计算方法。在理论研究的基础上，基于SOI CMOS工艺，研究低噪声、抗辐射接口专用芯片，电路和版图的抗辐射加固技术和冗余设计方法，并通过芯片和加速度传感器测试验证理论模型。本项目的研究具有重要的理论意义和应用价值。

MEMS微加速度计是航天航空领域的重要敏感器件，微加速度计的抗辐射加固技术和低噪声、低功耗技术是当前研究的热点。本项目基于SOI CMOS工艺平台开展了高阶Sigma-delta（ΣΔ）数字闭环反馈加速度计接口ASIC芯片关键技术研究。针对当前SOI工艺下ΣΔ微加速度计噪声理论研究的不足，开展了电路噪声、非线性量化噪声数学模型研究，在所建立的加速度计系统模型基础上建立了电路噪声和量化噪声模型，所建立的量化噪声考虑了量化器的非线性特性和敏感结构的动态特性，具有较高的准确性。针对高阶闭环ΣΔ微加速度计系统，研究了系统的闭环稳定性和与输入信号相关的稳定性问题。在闭环稳定性的研究中，分析了二阶和高阶结构对补偿系数的要求，及补偿系数对噪声性能的影响，得到了系统稳定性与噪声性能之间的折中关系。在与输入信号相关的稳定性研究中，根据系统模型确立的特征方程，推导出二阶和高阶结构系统稳定的条件，并采用根轨迹法验证了这两种结构的稳定性与输入信号的关系。在理论研究的基础上，研究了接口电路的低噪声、高精度和抗辐射设计技术，以及版图的抗辐射加固和冗余设计方法，并完成了接口ASIC芯片的流片加工，测试结果显示所设计的芯片具有优良的特性。本项目的研究对于电容式加速度计ΣΔ接口电路的研制具有重要的指导意义，设计制作的ASIC接口电路具有重要的应用价值和广阔的应用前景。