石油勘探MEMS加速度计接口ASIC关键技术研究

How to realize low noise and low harmonic distortion of interface ASIC will be studied in this project, which is applied in MEMS accelerometer for oil exploration. For a 5 order sigma-delta structure of MEMS accelerometer, the trade-off of integrator noise, quantized noise, system stability will be analyzed. The noise model and harmonic distortion model of MEMS accelerometer will be set up because of nonideal character of mismatched sensor element, offset of front-end sensing circuits, sampling noise aliasing and so on. Nonlinear aliasing effect of circuits noise and quantized noise will be theoretically analyzed and verified. Optimized factor range of harmonic distortion of MEMS accelerometer is supplied, which is based on noise analysis theory, closed-loop stability condition. A new harmonic distortion self-test method based on electrostatic force is proposed. The error source model of self-test method is set up, which is composed of MEMS sensor element mismatch, time proportion of time-sharing feedback, nonlinear circuits parameter and so on. The interface ASIC of MEMS accelerometer is manufactured, and the theoretical analysis of digital sigma-delta structure for MEMS accelerometer is verified by test result, which provide the theoretical guidance for MEMS accelerometer for oil exploration.

本课题主要完成石油勘探MEMS加速度计接口ASIC芯片的低噪声、低谐波失真参数的相关研究。针对5阶sigma-delta结构MEMS加速度计，研究积分器前级噪声、量化噪声、系统稳定性等参数之间的折中优化条件。针对机械敏感结构失配、敏感前级失调、采样噪声混叠等非理想特性建立MEMS加速度计噪声、谐波失真模型。完成电路噪声与量化噪声之间的非线性混叠效应的理论分析及验证。结合sigma-delta噪声分析、环路稳定性条件，分析MEMS加速度计谐波失真的优化参数范围。提出一种MEMS加速度计静电力谐波失真自检测方法，针对方法中微机械结构失配、分时反馈时间比例、非线性电路参数等误差因素建立自检测方法的误差源数学模型。在上述理论模型的基础上完成接口ASIC流片制作，实现对数字sigma-delta结构MEMS加速度计噪声、谐波失真理论模型验证，为石油勘探MEMS加速度计设计提供理论指导。

具有数字输出功能的高精度Sigma-Delta 微加速度计在石油勘探领域有着重要的应用价值，开展高性能闭环数字微加速度计接口ASIC芯片研究，对于提高MEMS加速度计测量精度具有重要意义。本项目针对高性能数字微加速度计接口ASIC的关键问题完成如下研究工作：第一，采用高品质因数（Q值）敏感结构和高阶调制器的数字微加速度计在实现高精度输出的同时存在稳定性问题，本项目从以下几个方面来解决：(1)设计有源前置补偿器电路进行深度相位补偿，改善系统响应；(2)将调制器局部反馈因子设计成片外可调，使接口电路能够适用于不同的机械结构，消除工艺误差的影响；(3)通过参数优化和增益按比例缩放技术，降低积分器输出信号摆幅，有利于稳定环路增益。第二，建立了一种ΣΔ微加速度计噪声理论模型，经过定量计算确定主要噪声来源于运放噪声、开关噪声和参考电压噪声。在分析运放带宽对接口电路的噪声影响时，综合考虑运放建立精度和噪声混叠效应的影响，选择合适的运放带宽。实际测试结果表明所研制的ΣΔ微加速度计接口ASIC可以支持敏感结构实现低于200ng/sqrt(Hz)的噪声密度。第三，建立了一种ΣΔ微加速度计谐波失真理论模型，通过引入运放的直流增益模型，基于质量块位移到电容变化的非线性解析出前级电荷转换关系式。结合非线性静电力反馈关系式，建立一种准线性的闭环ΣΔ微加速度计谐波失真理论模型。设计了一种适用于高阶ΣΔ微加速度计系统的开关电容自检测电路，仿真验证和实验测试表明提出的自检测电路能够为本项目建立的ΣΔ微加速度计谐波失真分析模型提供验证手段，该自检测方法可以代替传统的振动台，提高了ΣΔ微加速度计动态测试的精度。最后，完成高精度闭环高阶ΣΔ微加速度计接口ASIC芯片设计、流片及测试验证。数字Sigma Delta加速度计接口ASIC芯片有效面积7.8mm2，等效输入加速度噪声小于200ng/Hz1/2，谐波失真-95dB，量程±1.2g，1Hz带宽下动态范围约为136dB，带宽300Hz，非线性0.15%，偏置稳定性约为18μg，功耗23mW。上述研制成果发表于集成电路领域国际顶级期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits，数字加速度计ASIC芯片研制处于国际领先水平，上述技术成果能够为石油勘探领域MEMS加速度计的技术进步提供重要的借鉴意义，有着广阔的市场推广和应用价值