Kraftgekoppelter MEMS Vibrationssensor mit elektromechanischem Delta-Sigma-Wandler. Detlef Billep, Tim Motl, Stefan Konietzka

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Kraftgekoppelter MEMS Vibrationssensor mit elektromechanischem Delta-Sigma-Wandler. Detlef Billep, Tim Motl, Stefan Konietzka"

Bastian Breiner
vor 6 Jahren
Abrufe

1 Kraftgekoppelter MEMS Vibrationssensor mit elektromechanischem Delta-Sigma-Wandler Detlef Billep, Tim Motl, Stefan Konietzka

2 Gliederung des Vortrags 1. Einleitung 2. Sensorspezifikation 3. Idee: Systemansatz 4. MEMS Funktionsdemonstrator, post processing gap reduction 5. MEMS Prototyp, Überführung in industrielle Fertigung 6. Zusammenfassung 2

3 Short ways to scientific institutions

4 EDC range of services at a glance System provider of customized and application-specific circuits (ASICs and ASSPs) & electronic system solutions ASIC-Design Power Electronics Automation Systems Software Development // Manufacturing // Certification //

5 Exemplarische Spezifikation eines Vibrationssensors Spezifikation: Signal-Bandbreite: 100 Hz 8500 Hz Maximale Amplitude: 1 g Statische Beschleunigung: -1.5 g 1.5 g Rauschleistungsdichte: m s 2 2 Hz Schnittstelle: seriell, digital Stromaufnahme: < 500 µa Nebenbedingungen: Oberes Limit für seismische Masse: m < kg Limit für Lehr sches Dämpfungsmaß: D >

/ Beschleunigung a x a = 1 s 2 2 + 2Dω 0

6 Grundlegende Funktionsweise Transferfunktion (Laplace): Auslenkung x / Beschleunigung a x a = 1 s Dω 0 s + ω 0 Lehr sches Dämpfungsmaß Eigenkreisfrequenz 6

7 Auslegung der Mechanik unter Berücksichtigung des Rauschens Anforderungen an die Rauschleistungsdichte sind hoch: noise-driven design Boltzmann- Konstante Temperatur Spektrale Rauschleistungsdichte für die Beschleunigung S a = 8k B T Dω 0 m Durch Design beeinflussbar 7

8 Auslegung der Mechanik unter Berücksichtigung des Rauschens Anforderungen an die Rauschleistungsdichte sind hoch: noise-driven design S a = 8k B T Dω 0 m Erster Ansatz: Vorgabe des Frequenzgangs Vorgabe: D = 0.7, ω 0 = 2π 10 khz Berechnung der erforderlichen Masse m: m = 8k B T Dω 0 S a Ergebnis: g seismische Masse sind erforderlich! Ca. Faktor 1000 über dem maximal erlaubten Wert! 8

9 Auslegung der Mechanik unter Berücksichtigung des Rauschens Anforderungen an die Rauschleistungsdichte sind hoch: noise-driven design S a = 8k B T Dω 0 m Zweiter Ansatz: Ausreizen der vorgegebenen Limits Vorgabe: D = 0.01, m = kg Berechnung der erforderlichen Eigenkreisfrequenz: ω 0 = 1 8k B T S am D Ergebnis: Eigenkreisfrequenz von 1 khz erforderlich! Bandbreitenforderung kann nicht erfüllt werden! 9

10 Vergleich der MEMS Designs Erster Ansatz Zweiter Ansatz Auslenkung OK Starke Überhöhung Bandbreite OK Zu klein Seismische Masse Viel zu hoch OK MEMS realisierbar? Nein Ja Spezifikation erfüllt? Nein Nein 10

11 Closedloop Design: Verbesserung des Frequenzgangs Ansatz: Veränderung der Systemdynamik durch Rückkopplung! Ohne Rückkopplung = Open-loop x u = H(z) = B(z) A(z) 11

Ohne Rückkopplung = Openloop Mit Rückkopplung = Closedloop x u = H(z) = B(z) A(z) x

12 Closedloop Design: Verbesserung des Frequenzgangs Ansatz: Veränderung der Systemdynamik durch Rückkopplung! Ohne Rückkopplung = Openloop Mit Rückkopplung = Closedloop x u = H(z) = B(z) A(z) x u = H cl z = H(z) 1 + H(z) = B(z) A(z) + B(z) Verändertes Nenner-Polynom -> verschobene Nullstellen (Polstellen) -> Einfluss auf Bandbreite 12

13 Elektronischer Sigma-Delta-Modulator: Closedloop Design: Elektromechanischer Sigma-Delta-Modulator 1 0 +V ref - V ref Elektromechanischer Sigma-Delta-Modulator: 1 +a ref - a ref 0 13

14 Closedloop Design: Entwurf der Rauschübertragungsfunktion 5 Nullstellen 3 bei DC 2 bei MEMS Polstellen 5 Polstellen frei platzierbar Polstellen Nullstellen Ordnungen: MEMS: 2 Frontend: 0 H(z): 3 14

15 Eingang Closedloop Design: Elektromechanischer Sigma-Delta-Modulator Ausgang 5 Polstellen 3 Nullstellen bei DC 2 Nullstellen durch MEMS vorgegeben 15

16 Eingang Closedloop Design: Elektromechanischer Sigma-Delta-Modulator Reduzierte Überhöhung Stark vergrößerte Bandbreite Ausgang 16

17 Eingang Ausgang Closedloop Design: Elektromechanischer Sigma-Delta-Modulator Reduzierte Überhöhung Stark vergrößerte Bandbreite 17

Frequenzen um die statische Auslenkung Pendelbewegung ist

18 Auslenkung Stream Closedloop Design: Elektromechanischer Sigma-Delta-Modulator Seismische Messe pendelt mit hohen Frequenzen um die statische Auslenkung Pendelbewegung ist Auswirkung des Quantisierungsrauschens f = 1 khz, a signal = 0.1 m/s 2, a offset = 15 m/s 2 18

19 Closedloop Design: Vergleich mit Openloop Design Erster Ansatz Zweiter Ansatz El.-Mech.-SDM Auslenkung OK Starke Überhöhung OK Bandbreite OK Zu klein OK Masse Viel zu hoch OK OK MEMS realisierbar? Nein Ja Ja Spec. erfüllt? Nein Nein Ja 19

20 Sensorempfindlichkeit Großes DC / C A C d x A C0 d A Cx 2 x 0 d Optimale Platzausnutzung: Elektrodenabstand so klein wie möglich Höhe der Elektroden Ausnutzung des technologisch Machbaren Elektrodenfläche so groß wie nötig

21 Post processing gap reduction 21

22 Funktionsdemonstrator Reduktion des Eletrodenabstandes von 2,9 µm auf 0,4 µm Dauerhafte Fixierung

23 Zustellen der Elektroden 1/2

24 Zustellen der Elektroden 2/2

25 X-FAB cavity SOI MEMS technology platform 25

26 Überführung des Layout Layout Funktionsdemonstrator Layout PT, MECH + Hilfslayer 26

27 Ladespannungsquelle Ladekapazität Elektrode links Elektrode rechts Kapazitive Wandler mit 30 µm device layer und post processing gap reduction Schweißpunkt links Schweißpunkt rechts + - Impulsformer Shuttle + - Pad der bewegl. Struktur 27

28 Zusammenfassung Konzept für Design eines elektromechanischen Delta-Sigma-Wandlers aufgezeigt Fraunhofer ENAS & EDC Electronic Design Chemnitz GmbH konnten einen Industrieauftrag mit sehr anspruchsvoller Spezifikation erfolgreich zu einem Funktionsdemonstrator führen (EDC: ASIC; Fraunhofer ENAS/ZfM: MEMS) Auf dem Weg zum Produkt wird die Entwicklung aktuell auf eine industriell verfügbare Technologieplattform (X-FAB) übertragen Verwertungskette von der Idee bis zum fertigen Produkt kann an dieser Kooperation sichtbar gemacht werden 34

29 Zusammenfassung Closedloop-Design erhöht die Freiheitsgrade im MEMS-Design Vorliegende Spezifikation kann erfüllt werden Entwurf eines elektromechanischen Sigma-Delta-Modulators, der den MEMS in seine Filterfunktion einbezieht Beschleunigung-zu-Digitalwandler Digitaler serieller Datenstrom Vorteilhafte Umsetzung in SC-Technik möglich 35

30 Zusammenfassung Closedloop-Design erhöht die Freiheitsgrade im MEMS-Design Vorliegende Spezifikation kann erfüllt werden Entwurf eines elektromechanischen Sigma-Delta-Modulators, der den MEMS in seine Filterfunktion einbezieht Beschleunigung-zu-Digitalwandler Digitaler serieller Datenstrom Vorteilhafte Umsetzung in SC-Technik möglich Closedloop-Design erfordert umfangreiche Stabilitätsanalysen Streuungen der Systemparameter können zu Instabilität führen Anfangsbedingungen haben Einfluss auf stabiles Einschalten Spezieller Regler in der Einschaltphase erhöht die Stabilität des Einschaltvorgangs 36

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 37

Ähnliche Dokumente

U e2. U e1 U cm. Schirmbalken. U sm. Seism. Masse

U e2. U e1 U cm. Schirmbalken. U sm. Seism. Masse Eine neue MEMS-Familie in AIM*-Technologie * AIM = Airgap Insulation of Microstructures: DE 10029012C2; U.S.No.10/296,771; PCT/DE01/02237 Funktionsweise des kapazitiven Wandlers Beschleunigung (Neigung,