Design of agile signal conditioning circuits for microelectromechanical sensors

Résumé

Les systèmes microélectromécaniques (MEMS) sont utilisés dans des nombreuses applications pour détecter les paramètres physiques et les convertir en signal électrique. Généralement, la sortie des transducteurs à base de MEMS ne convient pas pour être traitée directement dans le domaine numérique ou analogique. L’ordre de grandeur peut être aussi petit que des femto farad en détection capacitive ou des micro volts en détection résistive. Par conséquent, les exigences du conditionnement de signaux à haute sensibilité sont essentielles. Le bruit et la capacité d'entrée sont des paramètres importants de la détection capacitive. La source de bruit dominante dans le circuit de conditionnement MEMS est le bruit de scintillement et la technique de hachage est l’un des meilleurs moyens afin d’éliminer le scintillement. Trois techniques de hachage différentes sont utilisées : un amplificateur à hacheur simple (SCA), un amplificateur à hacheur double (DCA) et un amplificateur à hacheur simple à deux étages (TCA). De plus, leur sensibilité et leur consommation de puissance basée sur le gain total et la capacité de détection sont extraites. Nous montrons que la distribution du gain entre les deux étages du DCA et du TCA a un effet significatif sur la sensibilité et que la sensibilité et la consommation de puissance changent considérablement en fonction de cette distribution. À faible détection capacitive, le DCA pourrait atteindre la sensibilité la plus élevée en raison de sa capacité à réduire simultanément le bruit de fond et la capacité du capteur d'entrée. En outre, un nouveau DCA est proposé pour atteindre la plus grande sensibilité et la plus faible consommation de puissance. Dans ce DCA, deux tensions d’alimentation sont utilisées et le deuxième étage est composé de deux chemins parallèles qui améliorent le rapport signal sur bruit et fournissent deux réglages de gain. Ce circuit est fabriqué en technologie CMOS de 0.13 μm. Les résultats de mesures ont montré une consommation de 2.66 μW pour la tension d'alimentation de 0.7V et de 3.26 μW pour la tension d'alimentation de 1.2V. Le DCA à simple trajet a un gain de 34 dB, une bande passante de 4 kHz et un bruit de fond de 25 nV / √Hz. Le DCA à double trajet a un gain de 38 dB, une bande passante de 3 kHz et un bruit de fond de 40 nV / √Hz. Afin de pouvoir détecter le signal près de la fréquence DC, un autre circuit a été proposé, dans lequel une bande passante configurable et une fréquence de bruit de coin sous les μHz. Ce circuit est composé de trois étages et trois fréquences de hacheur sont utilisées pour éliminer le bruit de scintillement des trois étages. Le circuit simulé est conçu dans une technologie CMOS de 0.13 μm avec des tensions d'alimentation de 0.4 V et 1.2 V. La consommation totale est de 6.7 μW. Un gain de 68 dB et des bandes passantes de 1, 10, 100 et 1000 Hz sont obtenues. Le seuil de bruit en entrée est de 20.5 nV / √Hz et la conception atteint un bon facteur d’efficacité énergétique de 4.0. En mode capacitif, le bruit de fond est de 3.6 zF pour un capteur ayant une capacité de 100 fF.

Date	16 mai 2019
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Frédéric Nabki (Directeur(-trice))