19、基于SOI MEMS的过采样加速度计设计与宽频MEMS谐振器能量收集优化

基于SOI MEMS的过采样加速度计设计与宽频MEMS谐振器能量收集优化

1. 基于SOI MEMS的过采样加速度计设计

1.1 引言

现代CMOS技术和芯片制造的进步促使仪器设备转向全片上解决方案以用于传感应用。从用于生物医学应用的简单悬臂结构，到用于压力和加速度传感的更复杂的表面微加工和基于SOI的梳状及陀螺结构，各种实现方式不断涌现。电容式传感器是一类重要的精密传感器，适用于广泛的应用。其主要原理是通过感应电容变化（通常是差分电容）来检测传感参数的影响。

为了实现加速度传感，本文讨论了基于梳状SOI MEMS器件的实现方案。该集成传感器利用过采样原理，在动态传感器中采用静态信号调理机制，采样频率远高于带宽。这解决了因额外支持电路（如方波发生器和伴随的解调器）带来的芯片面积和功耗限制。节省的芯片面积用于通过ΔΣ ADC提高设备输出的鲁棒性，与传统ADC相比，可减少引脚数量并实现单比特数字输出。

1.2 SOI MEMS加速度计：器件描述

传统的MEMS器件通过硅晶圆的表面或体微加工实现，以利用硅出色的机械性能进行传感应用。然而，对于需要移动部件的应用（如质量传感和加速度传感），这些结构需要从基底精确释放。虽然可以通过穿孔质量块和较小的特征尺寸在一定程度上实现，但仍存在一些问题，如增加带宽、产生噪声和增大量程，且粘连问题（MEMS器件释放不成功）仍未完全解决。

SOI MEMS是一种解决方案，它采用背面蚀刻而非传统的表面释放步骤，更好地确保了质量块的成功释放。不过，由于蚀刻速率有限，会增加质量块，导致带宽降低，但传感精度更高。此外，背面蚀刻步骤使器件尺寸更大，传感域变化产生的可检测变化更明显。