شتاب سنج کاملا مجتمع بی سیم پیوند سیمی با ساختار بازخوانی حلقه بسته
چکیده
این مقاله یک شتاب سنج کاملا مجتمع بی سیم پیوند سیمی با استفاده از یک رابط بازخوانی حلقه بسته را معرفی می کند که به طور موثر نویز مدارهای الکتریکی و تغییرات بلند مدت فرکانسی را کاهش می دهد. شتاب سنج پیشنهادی با استفاده از فناوری CMOS 0.18 میکرومتر بدون پردازش سیستم های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) ساخته شد. برای کاهش دادن خطاهای ساخت، حسگرهای اینرسی پیوند سیمی بر روی پدهای تراشه به صورت سیم متصل شده، در نتیجه طول و فضای دقیق بین پیوند سیمی های اندازه گیری حاصل می شود. شتاب سنج بی سیم پیشنهادی، با استفاده یک جفت پیوند سیمی به ابعاد 15.2 و 25.4 میکرومتر به بهره مبدل خطی 33 mV/g ، پهنای باند 5 کیلو هرتز، کف نویز 700 μg/√Hz و 4.5 μg پایداری بایاس دست می یابد. دادهای شتاب به وسیله ی یک ADC SAR 10 بیتی با راندمان انرژی بالا دیجیتالی شده و سپس به صورت بی سیم بلادرنگ به قرائت گر خارجی توسط یک فرستنده ی کم توان با کلیدزنی شیفت قطع و وصل (OOK) ارسال می شود.. ساختار پیشنهادی تنها 9 وات توان مصرف می کند و مساحت تراشه برابر با 2 * 2.4 میلی متر است.
1. مقدمه
شتاب سنج های MEMS در کاربردهای وسیعی، از قبیل نظارت بر زیرساخت ، سیستم های خودرو، دستگاه های مراقبت های بهداشتی با قابلیت پوشش، و فروش الکترونیک برای بازی و تفلن های همراه مورد توجه قرار گرفته اند. اکثر حسگرهای اینرسی به تغییر در مشخصات مواد و یا ساختارهای مکانیکی برای آشکارسازی نیرو و شتاب متکی هستند، و معمولا نمی توانند مستقیماً به وسیله یک فرآیند مرسوم CMOS ساخته شوند. با ظهور فناوری های پیشرفته CMOS-MEMS ، حسگر های و مدارهای رابط را می توان بر روی یک تراشه سیلیکونی کوچک با استفاده از روش های خاص پس از پردازش مجمتع کرد. خازنی [1]، [2] و تشدیدی [3] - [5] رایج ترین اقسام شتاب سنج های MEMS هستند که به ترتیب تغییرات خازنی و تغییرات فرکانس تشدید ناشی از شتاب اعمالی را حس می کنند. شتاب سنج خازنی MEMS ، به طور گسترده در سیستم های خودرو و لوازم الکترونیکی به علت حساسیت دمای پایین، اندازه کوچک، و مصرف توان پایین استفاده شده است. بلعکس، شتاب سنج تشدیدی می تواند به دقت بالا، رنج ورودی پویا، و عدم حساسیت تشعشعی دست یابند [4]. با این حال، هر دو نوع شتاب سنج MEMS از تغییرات فرکانس پایین، پردازش خاص ساخت ، و انحراف ها از بسته و یا نویزهای رابط، مانند پیوندهای سیمی و ظرفیت پیش فار دچار آسیب می شود[6].
Abstract
This paper presents a fully-integrated wireless bondwire accelerometer using a closed-loop readout interface that effectively reduces the noise from electrical circuits and long-term frequency drifts. The proposed accelerometer was fabricated using 0.18- μm CMOS technology without micro electromechanical systems (MEMS) processing. To reduce manufacturing errors, the bondwire inertial sensors are wire-bonded on the chip pads, thereby enabling a precisely-defined length and space between sensing bondwires. The proposed wireless accelerometer using a pair of 15.2 μm and 25.4 μm bondwires achieves a linear transducer gain of 33 mV/g, bandwidth of 5 kHz, a noise floor of 700 μg/√Hz, and 4.5 μg bias stability. The acceleration data is digitalized by an energy-efficient 10-bit SAR ADC and then wirelessly transmitted in real time to the external reader by a low-power on-off shift keying (OOK) transmitter. The proposed architecture consumes 9 mW and the chip area is 2 mm × 2.4 mm.
I. INTRODUCTION
MEMS accelerometers have enjoyed translational success in a wide range of applications, such as infrastructure monitoring, automotive systems, wearable healthcare devices, and customer electronics for gaming and mobiles. Most inertial sensors rely on changes in material characteristics or mechanical structures to detect force and acceleration, and usually cannot be directly fabricated by a conventional CMOS process. With the advent of advanced CMOS-MEMS technologies, sensors and interface circuits can be integrated on a small silicon chip using special post-processing mechanisms. Capacitive [1], [2] and resonant [3]–[5] are the most commonly used MEMS accelerometer types that sense capacitance changes and resonant frequency deviations caused by applied acceleration, respectively. The capacitive MEMS accelerometer has been widelyused in automotive systems and consumer electronics due to its low temperature sensitivity, miniature size, and low power consumption. In comparison, the resonant accelerometer can achieve high precision, a dynamic input range, and radiation insensitivity [4]. However, both types of MEMS accelerometers suffer from low-frequency drifts, special fabrication processing, and offsets from package or interface parasitics, such as bondwires and lead capacitance [6].
چکیده
مقدمه
المان حسگر
مدل مکانیکی حسگرهای اینرسی پیوند سیمی
فرکانس تشدید مکانیکی
اندوکتانس پیوند سیمی
بسته بندی حسگر
تجزیه و تحلیل تغییرات و قابلیت اطمینان
مدار بازخوانی پیشنهادی
دمدولاتور FM مبتنی بر PLL
بلوک های مداری دمدولاتور PLL
تقویت کننده میان گذر و SAR ADC
فرستنده بی سیم
نتایج آزمایشگاهی
ویژگی های حسگر
مشخص سازی رابط الکتریکی
اعتبارسنجی سیستم
نتیجه گیری
Abstract
I. INTRODUCTION
II. SENSOR ELEMENT
A. Mechanical Model of Bondwire Inertial Sensors
B. Mechanical Resonant Frequency
C. Bondwire Inductance
D. Sensor Packaging
E. Variations and Reliability Analysis
III. PROPOSED READOUT CIRCUITRY
A. PLL-Based FM Demodulator
B. Circuit Blocks of the PLL Demodulator
C. Bandpass Amplifier and SAR ADC
D. Wireless Transmitter
IV. EXPERIMENTAL RESULTS
A. Sensor Characterization
B. Electrical Interface Characterization
C. System Verification
V. CONCLUSION
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه