VLSI系统设计ppt课件

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-6-6VLSI系统设计第第6章章 集成微系统集成微系统MEMS 2019-2019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-6-66.1 MEMS器件概念一个例子:NMOSFET谐振栅晶体管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去除去除SiO2SiO2MEMS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=CVQ=CV和和MOSMOS管相比，管相比，任务原理发生变任务原理发生变

2、化。化。但仍是四端器件但仍是四端器件6.1 MEMS器件概念一个例子:NMOSFET谐振栅晶体管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-6-66.1 MEMS器件概念微系统集成的问题.1 .1 工艺兼容性；工艺兼容性； 资料复用性；资料复用性； 描画一致性和仿真一致性；描画一致性和仿真一致性； 设计复杂性；设计复杂性； 处置电路多样性。处置电路多样性。 MEMS-MEMS-采样采样/ /放大；放大； 调制调制- -解调；解调； 模数变换；模数变换； 数字信号处置；数字信号处置； 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

3、院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-66.1 MEMS器件概念几种简单的MEMS构造 1. 简单梁构造简单梁构造.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-6-66.1 MEMS器件概念几种简单的MEMS构造 1. 简单梁构造简单梁构造.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-6-66.1 MEMS器件概念几种简单的MEMS构造 2. 简单膜构造 .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-6-66.1 MEMS器件概念几种简

4、单的MEMS构造 3. 多方向运动构造.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-6-66.1 MEMS器件概念几种简单的MEMS构造 .1 .14. 执行运动构造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-6-66.1 MEMS器件概念几种简单的MEMS构造 .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-6-66.1 MEMS器件概念几种简单的MEMS构造 .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

5、系统设计-6-66.1 MEMS器件概念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 描画描画: :力学力学热学热学电学电学 光学光学.电学电学& &微电子学微电子学幅员幅员& &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-6-66.1 MEMS器件概念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& &

6、;微电子学微电子学幅员幅员& &微电子加工工艺微电子加工工艺 一致描画一致描画: :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KCLKCL、KVLKVL.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-6-66.2 集成微系统1、集成湿度传感器 .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-6-66.2 集成微系统 1、集成湿度传感器 .2 .2东南大

7、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-6-66.2 集成微系统 1、集成湿度传感器 .2 .2传感器传感器 聚合物感湿资料介聚合物感湿资料介电常数随湿度而改动。电常数随湿度而改动。导致电容大小改动。导致电容大小改动。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-6-66.2 集成微系统 2、集成加速度传感器 .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-6-66.2 集成微系统 2、集成加速度传感器 .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

8、而变。板间距因加速度而变。导致电容大小改动。导致电容大小改动。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-6-66.2 集成微系统 3、集成胎压传感器 .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-6-66.2 集成微系统3、集成胎压传感器 .2 .2 压力使极板间距改压力使极板间距改动。导致电容值改动。动。导致电容值改动。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-6-66.2 集成微系统4、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

9、学与工程学院 VLSIVLSI系统设计系统设计-6-66.2 集成微系统 4、集成陀螺仪-执行器+传感器.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-6-66.2 集成微系统 4、集成陀螺仪-执行器+传感器.2 .2MEMS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-6-66.2 集成微系统 4、集成陀螺仪-执行器+传感器.2 .2陀螺构造与原理陀螺构造与原理 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。导致电容值改动。运动。导致电容值改动。东南大学电子

10、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-6-66.2 集成微系统 5、集成数字微镜DMD -执行器.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-6-66.2 集成微系统 5、集成数字微镜-执行器.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-6-66.2 集成微系统 5、集成数字微镜-执行器.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-6-66.2 集

11、成微系统 5、集成数字微镜-执行器.2 .2 DMD是是MEMS执行器的运执行器的运用例如，利用寻址方式控制静用例如，利用寻址方式控制静电驱动方式任务。电驱动方式任务。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-6-66.3 微弱信号处置.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-6-66.3 微弱信号处置电容检测.3.3 传感电容传感电容

12、pfpf量级，电容变化量级，电容变化afaf量级量级 噪声信噪比问题噪声信噪比问题设计低噪声，抗干扰才干强的微弱信号检测设计低噪声，抗干扰才干强的微弱信号检测电路是电容式传感器的关键之一电路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，电电容的微小变化量转化为频率，电流，电压压C-F C-F 、 C-IC-I、PWMPWM、C-V (C-V (电容电桥、开关电电容电桥、开关电容法、电荷放大法容法、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-6-66.3 微弱信号处置C-F方法 2111211IICVVITTfSAB.3.3

13、多谐振荡器多谐振荡器I1I2I1I2充电过程：开封锁合充电过程：开封锁合 11IVVCTdtdvciABS 放电过程：开关断开放电过程：开关断开 122IIVVCTABS 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-6-66.3 微弱信号处置C-I方法SrefSSCVFI .3.3初始情况初始情况:Cs:Cs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: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 Vref ，比较器输，比较器输出为出为VssVss，M2M2导通。导

14、通。 CsCs放电，放电，比较器反相端趋于比较器反相端趋于0 0，输出趋于，输出趋于0 0，M2M2截止。截止。1 有效有效:Cs:Cs放电到放电到0 0电压。电压。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-6-66.3 微弱信号处置 PWM方法.3.3传感器以差分电容方式变化传感器以差分电容方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-6-66.3 微弱信号处置 C-V 法(电容电桥法).3.3ERRRRRRVSout 31322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 V

15、LSIVLSI系统设计系统设计-6-66.3 微弱信号处置 C-V法 (开关电容法).3.3SrefSCVQ 在在1为高电平常，为高电平常，C1和和Cref 放电，放电，Cs充电。此时存储在充电。此时存储在Cs两端的电荷两端的电荷Qs为：为：在在2为高电平常，为高电平常，C1和和Cref 充电，充电，Cs放电。此时存储在放电。此时存储在Cref 两端的电荷两端的电荷Qref 为：为：refrefrefCVQ C1上电荷上电荷Q1为：为：输出电压为输出电压为: refSrefCCVQ 1 1C/CCVVrefSrefout 开关电容电路的方式非开关电容电路的方式非常多，但根本原理一样。常多，但根

16、本原理一样。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-6-66.3 微弱信号处置C-V法电荷放大法fiSfiOCVCCQV .3.3电阻的作用是为运放提供直流反响，使得反相输入为零。电阻的作用是为运放提供直流反响，使得反相输入为零。fiOCdQdV1 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-6-66.3 微弱信号处置载波调制方法单路载波.3.3两路电荷放大电路两路电荷放大电路infSSinfSinfSoutVCCCAVCCVCCAV213213 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 V

17、LSIVLSI系统设计系统设计-6-66.3 微弱信号处置载波调制方法双路载波.3.3两路电荷求和两路电荷求和infSSinfSinfSoutVCCCVCCVCCV2121 采用高频载波进展调制，可以有效避开采用高频载波进展调制，可以有效避开1/f 1/f 噪噪声对电路的影响声对电路的影响 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-6-66.3 微弱信号处置噪声处置斩波技术.3.3 运用调制技术将信号转到更高的频率，此频段放大器没有运用调制技术将信号转到更高的频率，此频段放大器没有1/f 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，所以斩波更适宜低噪声电路。白