CC BY
20
УДК 621.382 DOI 10.23683/2311-3103-2019-6-44-52
А.О. Попов, Б.Г. Коноплев
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЕМКОСТИ В ЧАСТОТУ ДЛЯ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ-АКСЕЛЕРОМЕТРОВ
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) основаны на использовании микромеханических компонентов, реализованных методами микроэлектронных технологий. Распространены МЭМС-гироскопы и акселерометры, которые из-за сложности совмещения изготовления в одном технологическом процессе механического сенсора и системы обработки информации, преобразующей выходные сигналы сенсора в цифровой или аналоговый сигнал, реализуются в виде этажерочной конструкции. Одной из причин распространения данной конструкции является использование в устройствах обработки информации элементов аналоговой схемотехники, реализация которых в интегральном исполнении не способствует решению проблемы, к тому же, использование двух технологических маршрутов при изготовлении датчиков существенно увеличивает себестоимость последних. Представлены результаты исследования цифрового преобразователя емкости в частоту, технология которого совместима с технологией поверхностной микрообработки микромеханических сенсоров в интегральном исполнении. Выходной информацией данного преобразователя является частота цифрового сигнала, которую необходимо измерить и преобразовать в двоичный код для последующей обработки. В качестве решения данной задачи исследован маломощный цифровой частотомер, а также рассмотрена реализация цифрового преобразователя и частотомера в качестве устройства первичной обработки информации гироскопов-акселерометров в среде кремниевой компиляции Microwind. Получена зависимость значения частоты выходного сигнала F преобразователя от емкости Сх; частота изменялась в диапазоне 0-13,5 МГц при изменении емкости от 0 до 50 фФ. Получены зависимости диапазона измеряемой частоты частотомера от разрядности счетчика (1-10 разрядов), а также потребляемой мощности частотомера (18-60 мкВт) для частот тактового генератора 0,25, 0,5 и 1 ГГц.
МЭМС; емкостной преобразователь; цифровой частотомер.
A.O. Popov, B.G. Konoplev
STUDY OF THE DIGITAL CAPACITANCE TO FREQUENCY CONVERTER FOR THE DATA PROCESSING SYSTEMS OF MICROMECHANICAL ACCELEROMETERS-GYROSCOPES
Microelectromechanical systems (MEMS) are based on the use of micromechanical components implemented using microelectronic technologies. MEMS gyroscopes and accelerometers are widespread, and they are implemented as a stackable design because of the joint implementation complexity of mechanical sensor and data processing system, which converts sensor's output signals to digital or analog signal, in one technological process. One of the causes of this configuration outspread is the use of analog circuitry elements in data processing devices, the implementation of which in integrated form does not contribute to solving the problem. Furthermore using of two process flows in sensors manufacturing increases sensors self-cost substantially. This paper presents the research results of the digital capacitance-to-frequency converter, technology of which is compatible with the surface micromachining technology of the integrated micromechani-cal sensors. The output data of this converter is the frequency of the digital signal that needs to be measured and converted to binary code. To solve this problem, a low-power digital frequency meter was researched, and the implementation of a digital converter and frequency counter as a device for the primary processing of data from gyroscopes-accelerometers was also considered. The dependence of the frequency value of the converter's output signal F on the capacitance C_x was obtained; frequency variation was 0-13.5 MHz while capacitance was changed from 0 to 50 fF. The dependences of the range of the measured frequency of the frequency meter on the
counter capacity 1-10 and the clock generator frequencies 0.25, 0.5 и 1 GHz were obtained, as well as dependencies of the frequency meter power consumption 18-60 ¡W on the clock generator frequencies 0.25-1 GHz.
Capacitance to frequency converter; digital frequency meter; MEMS.
Введение. Микроэлектромеханические системы (МЭМС) - устройства, состоящие из микромеханической и микроэлектронной составляющих - сенсора и схемы обработки информации соответственно [1]. МЭМС являются массово распространенными устройствами, которые применяются как в сфере потребительских товаров и услуг, так и в военной, медицинской, аэрокосмической и др. сферах [2-9].
Среди известных типов МЭМС датчиков самым проверенным и надежным методом преобразования перемещений в электрический сигнал является ёмкостной метод [1]. В нём, в результате изменения измеряемой величины, происходит изменение емкости чувствительного элемента. Данное изменение емкости фиксируется, измеряется и преобразуется в аналоговый или цифровой сигнал для последующей обработки.
Широко распространены датчики, преобразующие измеряемую величину в напряжение [10-15]. Сигнал с датчика усиливается операционным усилителем (ОУ) и выдается на выход датчика, либо преобразовывается в цифровой сигнал аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Реализуются данные датчики в виде этажерочной конструкции, то есть в виде двух кристаллов, на одном из которых расположен микромеханический сенсор, на другом - схема обработки сенсорного сигнала. Применение данной конструкции обусловлено сложностью реализации датчика в одном технологическом процессе, в частности, из-за использования в схеме обработки информации ОУ и АЦП.
В данной работе исследуется преобразователь емкости в частоту непосредственно цифрового сигнала без использования ОУ и АЦП [16]. Частоту выходного сигнала данного преобразователя необходимо измерить и преобразовать в двоичный код для последующей обработки, для чего может быть применен маломощный цифровой частотомер [17-18], выходной информацией которого является двоичный код. Данные преобразователь и частотомер могут применяться в качестве устройства первичной обработки информации гироскопов и акселерометров.
Принцип работы цифрового преобразователя. Цифровой преобразователь емкости в частоту представлен на рис. 1, где 1, 2 - генераторы прямоугольных импульсов, в частотозадающие цепи которых включены опорные емкости С1 и С2 соответственно, 3 - тактовый генератор. Емкость Сх - предполагаемая емкость, получаемая с емкостных сенсоров.
Рис. 1. Цифровой преобразователь емкости в частоту [16]
Ключевым элементом преобразователя является логический элемент исключающее ИЛИ, фиксирующий разницу между частотами сигналов Д и /2. На выходе элемента исключающее ИЛИ образуется последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых периодически изменяются следующим образом:
txor(t) = А ■ [sin (0J-t + cp0)l
где А и с - амплитуда и круговая частота изменения длительности импульса соответственно, t - время, р0 - начальный сдвиг фаз между частотами Д и /2. Логические элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ необходимы для разделения длительности соответственно положительных и отрицательных импульсов на число импульсов частоты , подсчет которых осуществляется за счет двух - разрядных счетчиков импульсов a и b. Логическая единица на выходе первого или второго - разрядного счетчика образуется только тогда, когда длительность соответственно положительных или отрицательных импульсов будет равна или превышать число
т = Tcl к ■ (2 r - 1 ) ,
где Tc l к - период частоты fclк. Сброс на счетчиках происходит за счет изменения выходного сигнала элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, то есть, когда на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ логическая единица, происходит деление длительности данного положительного импульса в первом счетчике, но происходит сброс на втором и наоборот. Сигнал на выходе первого счетчика подается на вход установки RS-триггера, сигнал на выходе второго - на сброс. Таким образом, пока длительность положительных импульсов на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ будет равна или превышать число , на выходе рассматриваемого преобразователя будет удерживаться логическая единица, в иных случаях - логический ноль.
Минимальное значение длительности импульса txor равно нулю, максимальное - длительности импульса наименьшего периода или наибольшей из частот сигналов и . Так как значение частоты обратно пропорционально значениям емкостей и преобразовываемой емкости , а - только емкости , то частота всегда будет больше частоты . Таким образом, амплитуда изменения длительности импульса равна
где - период частоты . Круговая частота равна
4-71
Время, через которое длительность импульса £жог достигнет максимального значения, определяется:
Тг ■ Т2 = 1 Тг ~Т2 /2 - Д'
Результат измерения цифрового преобразователя появится на выходе RS-триггера через время, равное:
_Тс1к-(2г-1)-Т2
^оиЬ ~ т т ' 11 12
Время, необходимое для появления единицы на выходе RS-триггера - есть не что иное, как полупериод частоты искомого сигнала. Таким образом, зависимость значения преобразованной частоты от частот генераторов 1, 2 и 3, а также от разрядности г счетчиков импульсов a и Ь можно записать в следующем виде:
(Т1-Т2)-Р2 ~ 2 ■ Тс1к ■ (2Г - 1)'
Таким образом, зависимость преобразовываемой частоты находится в периоде изменения длительности импульса на выходе логического элемента исключающее ИЛИ.
Моделирование работы цифрового преобразователя. Для моделирования цифрового преобразователя емкости в частоту была спроектирована топология устройства в среде кремниевой компиляции Microwind [19-20] по технологии КМОП 90 нм. Площадь топологии преобразователя составила порядка 1500 мкм2. Результаты моделирования работы цифрового преобразователя представлены на рис. 2.
Рис. 2. Результат моделирования работы цифрового преобразователя
По результатам моделирования работы преобразователя была получена зависимость значения частоты сигнала ^ от емкости Сх (рис. 3).
и1Т. мг"
Рис. 3. Зависимость значения частоты сигнала F от емкости Сх
Частота F варьировалась в диапазоне 0-13,5 МГц при изменении Сх 0-50 фФ. Данный диапазон изменения емкости Сх соответствует типичным значениям сигналов емкостных сенсоров, выполненных по технологии поверхностной микрообработки.
Частоту выходного сигнала данного преобразователя необходимо измерить и преобразовать в двоичный код для последующей обработки. В качестве решения данной задачи может быть применен маломощный цифровой частотомер [17-18], выходной информацией которого является двоичный код.
Принцип работы цифрового частотомера. Цифровой частотомер [17-18] показан на рис. 4, где 1 - тактовый генератор, 2 - блок управления устройством, 3 - блок выдержки времени; 4 - п-разрядный счётчик импульсов; 5 - блок п логических элементов 2И, 6 - п-разрядный параллельный регистр.
Рис. 4. Схема цифрового частотомера [17]
Принцип работы цифрового частотомера заключается в подсчете числа импульсов частоты тактового генератора fclk за период измеряемого сигнала F. Частотомер имеет 2 управляющих сигнала с частотами F и B2, в зависимости от комбинации значений которых происходит переключение от одной стадии работы частотомера к следующей, а именно: сброс на и-разрядном счетчике импульсов, подсчет числа импульсов тактовой частоты fclk, сброс на и-разрядном параллельном регистре, запись в и-разрядный параллельный регистр. Данные стадии работы цикличны. Сигнал сброса Reset - единичный импульс, необходимый единожды в самом начале работы частотомера, далее работа полностью автономна.
Моделирование работы цифрового частотомера. Для моделирования цифрового частотомера была спроектирована топология устройства в среде кремниевой компиляции Microwind по технологии КМОП 90нм. Площадь топологии частотомера составила порядка 4000 мкм2. Результаты моделирования работы цифрового частотомера представлены на рис. 5.
RG
J.UUUU JUL'UU JUL'UJ JÜÜÜJ JUUUU LU'UUU JUUUU L'U'JUU UU JUU
J ]_ l_ _f _ J
1
_1 [_
11 J U L U L 1 nn и и
1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1
1 1 г
Рис. 5. Результат моделирования работы цифрового частотомера
На диапазон измерения данного цифрового частотомера оказывают непосредственное влияние разрядность п счетчика 4 (рис. 4), а также частота тактового генератора Данные зависимости представлены на рис. 6.
0,1 о i : Í 4 ? 6 7 к <) ю
Рис. 6. Зависимость диапазона измеряемой частоты от разрядности счетчика (элемент 4, рис. 2) и частоты тактового генератора РС1к
(Ртах: 1 - для Еак = 1 ГГц, 2 - для Еак = 0.5 ГГц, 3 - для РСк = 0.25 ГГц;
Етт: 4 - для Рс1к = 1 ГГц, 5 - для ¥с\к = 0.5 ГГц, 6 - для ЕС1к = 0.25 ГГц)
Из рис. 6 следует, что максимальная измеряемая частота Ртах зависит только от частоты тактового генератора РС1к, в то время как минимальная измеряемая частота зависит еще и от разрядности п счетчика 4 (рис. 4).
По многочисленным результатам моделирования работы частотомера была построена зависимость потребляемой частотомером мощности от частоты тактового генератора (рис. 7).
| ТАГ, мкВТ
__Fclk, ГГЦ
OÍ oís i
Рис. 7. Зависимость потребляемой частотомером мощности от частоты
тактового генератора
Потребляемая частотомером мощность при частотах тактового генератора Fclk = 0.25, 0,5, 0,75 и 1 ГГц варьировалась в диапазоне 18-60 мкВт.
Топология устройства первичной обработки информации одного канала гироскопа-акселерометра. Цифровой преобразователь емкости в частоту и маломощный цифровой частотомер могут быть применены для одного канала устройства обработки сигналов емкостных сенсоров. Один из вариантов топологии данного устройства по технологии КМОП 90 нм представлен на рис. 8.
Рис. 8. Топология устройства первичной обработки информации
Площадь устройства составила около 5500 мкм2. Для обработки информации 3-х осевого гироскопа и 3-х осевого акселерометра необходимо 6 подобных устройств, общая площадь которых составит порядка 33 000 мкм2, что соответствует
0.033.мм2. На кристалле 3х3 мм данное устройство первичной обработки информации вполне может быть реализовано в интегральном исполнении с многоканальными гироскопами-акселерометрами, выполненными по технологии поверхностной микрообработки.
Выводы. В данной работе приведены результаты исследования цифрового преобразователя емкости в частоту, рассмотрен цифровой частотомер в качестве измерительного устройства емкостного преобразователя, а также рассмотрена их совместная реализация в качестве устройства первичной обработки информации микромеханических сенсоров емкостного типа для технологии КМОП 90 нм. Представлены зависимости частоты выходного сигнала преобразователя F от емкости Сх, частота изменялась 0-13,5 МГц при изменении емкости Сх 0-50 фФ; диапазона измеряемой частоты от разрядности n счетчика и частоты тактового генератора цифрового частотомера, а также зависимость потребляемой устройством мощности при различных частотах тактового генератора, потребляемая мощность варьировалась от 18 до 60 мкВт, при изменении частоты тактового генератора 0,25-1ГГц.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гуртов В.А., Беляев М.А., Бакшеева А.Г. Микроэлектромеханические системы: учеб. пособие. - Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2016. - 171 с.
2. Шелепин Н.А. Кремниевые микросенсоры и микросистемы: от бытовой техники до авиационных приборов // Микросистемная техника. - 2000. - № 1. - С. 40-43.
3. SicardE., Bendhia S.D. Basics of CMOS Cell Design. - McGraw-Hill, 2007. - 427 p.
4. Eriçmiç M.A. Mems accelerometers and gyroscopes for inertial measurement units. - Department of Electrical and Electronics Engineering, 2004. - 137 p.
5. Xie H. Gyroscope and micromirror design using vertical-axis CMOS-MEMS actuation and sensing. - Carnegie Mellon university, 2002. - 246 p.
6. ElwenspoekM., WiegerinkR. Mechanical microsensors. - Springer, 2001. - 308 p.
7. Прокофьев И.В., Тихонов Р.Д. Нано- и микросистемы для мониторинга параметров движения транспортных средств // Нано- и микросистемная техника. - 2011. - № 12.
- С. 48-50.
8. Распопов В.Я. Микромеханические приборы. - М.: Машиностроение, 2007. - 400 с.
9. Ghodssi R., Lin P. MEMS Materials and Processes Handbook. - Berlin: Springer, 2011.
- 1185 p.
10. МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics: акселерометры и гироскопы // Время электроники. - URL: http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2193/doc/48456/ (дата обращения 28.02.2018).
11. MEMS market: 17.5% CAGR between 2018 and 2023. - www.i-micronews.com. - URL: https://www.i-micronews.com/mems-market-17-5-cagr-between-2018-and-2023/ (дата обращения: 15.05.2019).
12. Акселерометр компании STMicroelectronics / LIS344ALH / MEMS inertial sensor high performance 3-axis ±2/±6g ultracompact linear accelerometer / STMicroelectronics. - URL: https://www.st.com/resource/en/datasheet/lis344alh.pdf (дата обращения 25.11.2018).
13. Акселерометр компании STMicroelectronics / LIS3DSH / MEMS digital output motion sensor: ultra-low-power high-performance three-axis "nano" accelerometer/ STMicroelectronics. - URL: https://www.st.com/resource/en/datasheet/lis3dsh.pdf (дата обращения 25.11.2018).
14. Акселерометр компании Analog Devices / ADXL1003 / Low Noise, Wide Bandwidth, MEMS Accelerometer / Analog Devices. - URL: https://www.analog.com/ru/products/ adxl1003.html (дата обращения 25.11.2018).
15. Гироскоп компании Analog Devices / ADXRS645 / High Temperature, Vibration Rejecting ±2000°/sec Gyroscope / Analog Devices. - URL: https://www.analog.com/ru/products/ adxrs645.html (дата обращения 25.11.2018).
16. Коноплев Б.Г., Рындин Е.А. Высокочувствительный преобразователь ёмкости в частоту. Патент РФ № 2602493, 01.09.2015.
17. Коноплев Б.Г., Попов А.О. Цифровой частотомер для маломощных интегральных схем. Патент РФ № 187313, 01.03.2019.
18. Popov A.O., Sinyukin A.S. Design of Frequency Meter Unit for Low-Power Integrated Circuits // International Journal of Research Studies in Electrical and Electronics Engineering (IJRSEEE). - 2017. - No. 3.
19. Sicard E. Microwind & DSCH v3.5 - Lite User's Manual. - Toulouse, France: INSA Toulouse, 2009. - 130 p.
20. Sicard E., Bendhia S.D. Advanced CMOS Cell Design. - 2nd ed. - McGraw-Hill, 2007. - 364 p.
21. Нанотехнологии в микроэлектронике / под ред. О.А. Агеева, Б.Г. Коноплёва. - М.: Наука, 2019. - 511 с.
REFERENCES
1. Gurtov V.A., Belyaev M.A., Baksheeva A.G. Mikroelektromekhanicheskie sistemy: ucheb. posobie [Microelectromechanical systems: tutorial]. Petrozavodsk: Izd-vo PetrGU, 2016, 171 p.
2. Shelepin N.A. Kremnievye mikrosensory i mikrosistemy: ot bytovoy tekhniki do aviatsionnykh priborov [Silicon microsensors and microsystems: from household appliances to aviation devices], Mikrosistemnaya tekhnika [Microsystem technology], 2000, No. 1, pp. 40-43.
3. SicardE., Bendhia S.D. Basics of CMOS Cell Design. McGraw-Hill, 2007, 427 p.
4. Eri$mi$ M.A. Mems accelerometers and gyroscopes for inertial measurement units. Department of Electrical and Electronics Engineering, 2004, 137 p.
5. Xie H. Gyroscope and micromirror design using vertical-axis CMOS-MEMS actuation and sensing. Carnegie Mellon university, 2002, 246 p.
6. ElwenspoekM., WiegerinkR. Mechanical microsensors. Springer, 2001, 308 p.
7. Prokofev I. V., Tikhonov R.D. Nano- i mikrosistemy dlya monitoringa parametrov dvizheniya transportnykh sredstv [Nano- and microsystems for monitoring parameters of the movement of vehicles], Nano- i mikrosistemnaya tekhnika [Nano- and microsystem technology], 2011, No. 12, pp. 48-50.
8. Raspopov V.Ya. Mikromekhanicheskie pribory [Micromechanical devices]. Moscow: Mashinostroenie, 2007, 400 p.
9. Ghodssi R., Lin P. MEMS Materials and Processes Handbook. Berlin: Springer, 2011, 1185 p.
10. MEMS-datchiki dvizheniya ot STMicroelectronics: akselerometry i giroskopy [MEMS motion sensors from STMicroelectronics: accelerometers and gyroscopes], Vremya elektroniki [Electronics time]. Available at: http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2193/doc/48456/ (accessed 28 February 2018).
11. MEMS market: 17.5% CAGR between 2018 and 2023. www.i-micronews.com. Available at: https://www.i-micronews.com/mems-market-17-5-cagr-between-2018-and-2023/ (accessed 15 May 2019).
12. Akselerometr kompanii STMicroelectronics [Accelerometer from STMicroelectronics], LIS344ALH, MEMS inertial sensor high performance 3-axis ±2/±6g ultracompact linear ac-celerometer, STMicroelectronics. Available at: https://www.st.com/resource/en/datasheet/ lis344alh.pdf (accessed 25 November 2018).
13. Akselerometr kompanii STMicroelectronics [Accelerometer from STMicroelectronics], LIS3DSH, MEMS digital output motion sensor: ultra-low-power high-performance three-axis "nano" accelerometer/ STMicroelectronics. Available at: https://www.st.com/resource/en/datasheet/ lis3dsh.pdf (accessed 25 November 2018).
14. Akselerometr kompanii Analog Devices [Accelerometer from Analog Devices], ADXL1003, Low Noise, Wide Bandwidth, MEMS Accelerometer, Analog Devices. Available at: https://www.analog.com/ru/products/adxl1003.html (accessed 25 November 2018).
15. Giroskop kompanii Analog Devices [Gyroscope from Analog Devices], ADXRS645, High Temperature, Vibration Rejecting ±2000°/sec Gyroscope, Analog Devices. Available at: https://www.analog.com/ru/products/adxrs645.html (accessed 25 November 2018).
16. Konoplev B.G., Ryndin E.A. Vysokochuvstvitel'nyy preobrazovatel' emkosti v chastotu [Highly sensitive capacitor to frequency converter]. Patent RF No. 2602493, 01.09.2015.
17. Konoplev B.G., Popov A.O. tsifrovoy chastotomer dlya malomoshchnykh integral'nykh skhem [Digital frequency meter for low-power integrated circuits]. Patent RF No. 187313, 01.03.2019.
18. PopovA.O., Sinyukin A.S. Design of Frequency Meter Unit for Low-Power Integrated Circuits, International Journal of Research Studies in Electrical and Electronics Engineering (IJRSEEE), 2017, No. 3.
19. SicardE. Microwind & DSCH v3.5 - Lite User's Manual. Toulouse, France: INSA Toulouse, 2009, 130 p.
20. SicardE., Bendhia S.D. Advanced CMOS Cell Design. 2nd ed. McGraw-Hill, 2007, 364 p.
21. Nanotekhnologii v mikroelektronike [Nanotechnology in microelectronics], ed. by O.A. Ageeva, B.G. Konopleva. Moscow: Nauka, 2019, 511 p.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор И. Е. Лысенко.
Попов Артем Олегович - Южный федеральный университет; e-mail: arp@sfedu.ru; 347900,
г. Таганрог, пер. Тургеневский, 44; тел.: +79613050225; аспирант.
Коноплев Борис Георгиевич - e-mail: kbg@sfedu.ru; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский,
44; тел.: 88634371767; кафедра конструирования электронных средств; д.т.н.; профессор.
Popov Artyom Olegovich - Southern Federal University; email: arp@sfedu.ru; 44, Turgenevsky
lane, Taganrog, 347900, Russia; phone: +79613050225; postgraduate student.
Konoplev Boris Georgievich - e-mail: kbg@sfedu.ru; 44, Nekrasovsky, Taganrog, 347928, Russia;
phone: +78634371767; the department of electronic apparatuses design; dr. of eng. sc.; professor.
