Kraftgekoppelter MEMS Vibrationssensor mit elektromechanischem Delta-Sigma-Wandler Detlef Billep, Tim Motl, Stefan Konietzka
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
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Exemplarische Spezifikation eines Vibrationssensors Spezifikation: Signal-Bandbreite: 100 Hz 8500 Hz Maximale Amplitude: 1 g Statische Beschleunigung: -1.5 g 1.5 g Rauschleistungsdichte: 8 10 12 m s 2 2 Hz Schnittstelle: seriell, digital Stromaufnahme: < 500 µa Nebenbedingungen: Oberes Limit für seismische Masse: m < 260 10 9 kg Limit für Lehr sches Dämpfungsmaß: D > 0.01 5
Grundlegende Funktionsweise Transferfunktion (Laplace): Auslenkung x / Beschleunigung a x a = 1 s 2 2 + 2Dω 0 s + ω 0 Lehr sches Dämpfungsmaß Eigenkreisfrequenz 6
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
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: 0.182 g seismische Masse sind erforderlich! Ca. Faktor 1000 über dem maximal erlaubten Wert! 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 Zweiter Ansatz: Ausreizen der vorgegebenen Limits Vorgabe: D = 0.01, m = 260 10 9 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
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
Closedloop Design: Verbesserung des Frequenzgangs Ansatz: Veränderung der Systemdynamik durch Rückkopplung! Ohne Rückkopplung = Open-loop x u = H(z) = B(z) A(z) 11
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
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
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
Eingang Closedloop Design: Elektromechanischer Sigma-Delta-Modulator Ausgang 5 Polstellen 3 Nullstellen bei DC 2 Nullstellen durch MEMS vorgegeben 15
Eingang Closedloop Design: Elektromechanischer Sigma-Delta-Modulator Reduzierte Überhöhung Stark vergrößerte Bandbreite Ausgang 16
Eingang Ausgang Closedloop Design: Elektromechanischer Sigma-Delta-Modulator Reduzierte Überhöhung Stark vergrößerte Bandbreite 17
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
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
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
Post processing gap reduction 21
Funktionsdemonstrator Reduktion des Eletrodenabstandes von 2,9 µm auf 0,4 µm Dauerhafte Fixierung
Zustellen der Elektroden 1/2
Zustellen der Elektroden 2/2
X-FAB cavity SOI MEMS technology platform 25
Überführung des Layout Layout Funktionsdemonstrator Layout PT, MECH + Hilfslayer 26
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
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
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
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
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 37