VLSI系统设计6.pptx

东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（1）6.1 MEMS器件概念器件概念一个例子一个例子:NMOSFET谐振振栅晶体管（晶体管（RGT）.1.1东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（2）去除去除S Si iO O2 2MEMS器件器件电容变化引起沟电容变化引起沟道电荷变化。道电荷变化。Q=CV和和MOS管相比，管相比，工作原理发生变工作原理发生变化。化。但仍是四端器件但仍是四端器件6.1 MEMS器件概念器件概念一个例子一个例子:NMOSFET谐振振栅晶体管（晶体管（RGT）.1.1东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（3）6.1 MEMS器件概念器件概念微系微系统集成的集成的问题.1.1 工艺兼容性；工艺兼容性；材料复用性；材料复用性；描述一致性和仿真一致性；描述一致性和仿真一致性；设计复杂性；设计复杂性；处理电路多样性。处理电路多样性。u MEMS-采样采样/放大；放大；u 调制调制-解调；解调；u 模数变换；模数变换；u 数字信号处理；数字信号处理；u 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（4）6.1 MEMS器件概念器件概念几种几种简单的的MEMS结构构 1.简单梁结构简单梁结构.1.1东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（5）6.1 MEMS器件概念器件概念几种几种简单的的MEMS结构构 1.简单梁结构简单梁结构.1.1东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（6）6.1 MEMS器件概念器件概念几种几种简单的的MEMS结构构 2.简单膜结构简单膜结构.1.1东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（7）6.1 MEMS器件概念器件概念几种几种简单的的MEMS结构构 3.多方向运动结构多方向运动结构.1.1东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（8）6.1 MEMS器件概念器件概念几种几种简单的的MEMS结构构.1.14.执行运动结构执行运动结构东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（9）6.1 MEMS器件概念器件概念几种几种简单的的MEMS结构构.1.1东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（10）6.1 MEMS器件概念器件概念几种几种简单的的MEMS结构构.1.1东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（11）6.1 MEMS器件概念器件概念多能域问题和复杂性设计问题多能域问题和复杂性设计问题 单片集成系统单片集成系统=MEMS +电路电路 描述描述:力学力学热学热学电学电学 光学光学.电学电学&微电子学微电子学版图版图&微电子加工工艺微电子加工工艺仿真仿真:FEM/BEMKCL/KVL.1.1东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（12）6.1 MEMS器件概念器件概念多能域问题和复杂性设计问题多能域问题和复杂性设计问题 单片集成系统单片集成系统=MEMS +电路电路 力学力学热学热学电学电学 光学光学.电学电学&微电子学微电子学版图版图&微电子加工工艺微电子加工工艺 统一描述统一描述:协同仿真协同仿真:SPICE建模建模等效电路等效电路 网表网表电路网表电路网表基于基于KCL、KVL.1.1东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（13）6.2 集成微系集成微系统1、集成湿度集成湿度传感器感器.2.2瑞士瑞士Sensirion公司公司SHT11/15型湿度温度传感器型湿度温度传感器东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（14）6.2 集成微系集成微系统 1、集成湿度集成湿度传感器感器.2.2东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（15）6.2 集成微系集成微系统 1、集成湿度集成湿度传感器感器.2.2传感器传感器 聚合物感湿材料介聚合物感湿材料介电常数随湿度而改变。电常数随湿度而改变。导致导致电容大小改变电容大小改变。东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（16）6.2 集成微系集成微系统 2、集成加速度集成加速度传感器感器.2.2东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（17）6.2 集成微系集成微系统 2、集成加速度集成加速度传感器感器.2.2 静止极板与运动极静止极板与运动极板间距因加速度而变。板间距因加速度而变。导致导致电容大小改变电容大小改变。东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（18）6.2 集成微系集成微系统 3、集成胎集成胎压传感器感器.2.2东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（19）6.2 集成微系集成微系统3、集成胎集成胎压传感器感器.2.2 压力使极板间距改压力使极板间距改变。导致变。导致电容值改变电容值改变。东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（20）6.2 集成微系集成微系统4、集成陀螺集成陀螺仪.2.2东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（21）6.2 集成微系集成微系统 4、集成陀螺集成陀螺仪-执行器行器+传感器感器.2.2东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（22）6.2 集成微系集成微系统 4、集成陀螺集成陀螺仪-执行器行器+传感器感器.2.2MEMS陀螺陀螺东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（23）6.2 集成微系集成微系统 4、集成陀螺集成陀螺仪-执行器行器+传感器感器.2.2陀螺结构与原理陀螺结构与原理 哥氏力产生的非振动哥氏力产生的非振动方向的运动引起梳齿相对方向的运动引起梳齿相对运动。导致运动。导致电容值改变电容值改变。东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（24）6.2 集成微系集成微系统 5、集成数字微集成数字微镜DMD-执行器行器.2.2东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（25）6.2 集成微系集成微系统 5、集成数字微集成数字微镜-执行器行器.2.2东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（26）6.2 集成微系集成微系统 5、集成数字微集成数字微镜-执行器行器.2.2单芯片投影系统单芯片投影系统三芯片投影系统三芯片投影系统东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（27）6.2 集成微系集成微系统 5、集成数字微集成数字微镜-执行器行器.2.2 DMD是是MEMS执行器的应执行器的应用示例，利用寻址方式控制静用示例，利用寻址方式控制静电驱动方式工作。电驱动方式工作。东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（28）6.3 微弱信号微弱信号处理理.3.3 电容检测电容检测 压阻检测压阻检测 压电检测压电检测 隧道检测隧道检测 热流式检测技术热流式检测技术 谐振式检测技术谐振式检测技术 光纤式检测技术光纤式检测技术东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（29）6.3 微弱信号微弱信号处理理电容容检测.3.3 传感电容传感电容pf量级，电容变化量级，电容变化af量级量级 噪声信噪比问题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，电压电容的微小变化量转化为频率，电流，电压C-F、C-I、PWM、C-V(电容电桥、开关电容法、电容电桥、开关电容法、电荷放大法电荷放大法)东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（30）6.3 微弱信号微弱信号处理理C-F方法方法.3.3多谐振荡器多谐振荡器I I1 1II2 2充电过程：充电过程：开关闭合开关闭合放电过程：放电过程：开关断开开关断开东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（31）6.3 微弱信号微弱信号处理理C-I方法方法.3.3初始情况初始情况:C Cs s上电压为上电压为0 0；比较器输出为比较器输出为0 0，M1M1、M2M2截止。截止。有效有效:Cs上电压不能突变，比上电压不能突变，比较器反相端为较器反相端为Vref，比较器比较器输出输出为为Vss，M M2 2导通。导通。Cs放电，比较放电，比较器反相端趋于器反相端趋于0 0，输出趋于，输出趋于0 0，M M2 2截止。截止。有效有效:Cs放电到放电到0 0电压。电压。东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（32）6.3 微弱信号微弱信号处理理 PWM方法方法.3.3传感器以差分电容形式变化传感器以差分电容形式变化东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（33）6.3 微弱信号微弱信号处理理 C-V 法法(电容容电桥法法).3.3差分差分东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（34）6.3 微弱信号微弱信号处理理 C-V法法(开关开关电容法容法).3.3在在1为高电平时，为高电平时，C1和和Cref 放电，放电，Cs充充电。此时存储在电。此时存储在Cs两端的电荷两端的电荷Qs为：为：在在2为高电平时，为高电平时，C1和和Cref 充电，充电，Cs放放电此时存储在电。此时存储在Cref 两端的电荷两端的电荷Qref 为：为：C1上电荷上电荷Q1为：为：输出电压为输出电压为:开关电容电路的形式非开关电容电路的形式非常多，但基本原理相同。常多，但基本原理相同。东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（35）6.3 微弱信号微弱信号处理理C-V法（法（电荷放大法）荷放大法）.3.3电阻的作用是为运放提供直流反馈，使得反相输入为零。电阻的作用是为运放提供直流反馈，使得反相输入为零。东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（36）6.3 微弱信号微弱信号处理理载波波调制方法制方法单路路载波波.3.3两路电荷放大电路两路电荷放大电路东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（37）6.3 微弱信号微弱信号处理理载波波调制方法制方法双路双路载波波.3.3两路电荷求和两路电荷求和 采用高频载波进行调制，可以有效避开采用高频载波进行调制，可以有效避开1/1/f 噪声噪声对电路的影响对电路的影响 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（38）6.3 微弱信号微弱信号处理理噪声噪声处理理斩波技波技术.3.3 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1/1/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。白噪声部分，所以斩波更适合低噪声电路。东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-6（39）小小结：.3.3 MEMS技术将微电子技术和精密机械加工技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，统。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微是指集微型传感器、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。信系统以及电源于一体的微机电系统。