Details

In this paper, a MEMS pressure sensor with reconfigurable ASIC and measurement range of 10 kPa to 100 MPa was designed, based on the system model design approach. The competitive advantages of the method include rapid prototyping and controlling parameters of micromechanical pressure sensor at all design stages; thus, reducing the device development and manufacturing costs. The set of unified piezoresistive sensing elements with different full scale pressure and sensitivity was implemented on a pre-doped silicon on insulator (SOI) wafer. The optimal parameters of sensing elements and integrated circuit were obtained using complex optimization criterion by system level simulation and refined by finite element method. The reconfiguration requirements were obtained by simulation of technological process variations. The reconfigurable ASIC is implemented using 0.18 mum SOI technology. The ASIC provides integrated solution with on-chip programmable offset trimming, temperature sensing, clock generation and digital signal processing. The system level and schematic simulations were performed during ASIC development. The digital signal processing verification was performed by FPGA prototyping. The experimental studies were carried out for sensor prototypes with 100 kPa and 1 MPa full scale range. The developed pressure sensor based on micro-assembly achieves the 0.06% main full-scale error.

В данной работе с помощью методики синтеза, основанной на методе системного моделирования, был разработан МЭМС-датчик давления с реконфигурируемой интегральной схемой и верхними пределами измерений от 10 кПа до 100 МПа. Преимущества данной методики заключаются в возможностях быстрого прототипирования и контроля параметров на всех этапах разработки, что снижает себестоимость разработки и изготовления устройства. На предварительно легированной примесью p-типа КНИ-пластине был изготовлен набор тензорезистивных чувствительных элементов с разной чувствительностью к давлению. Оптимальные параметры чувствительных элементов были получены по комплексному критерию оптимизации с помощью моделирования на системном уровне и уточнены с помощью метода конечных элементов. Требования к реконфигурации интегральной схемы были получены путем моделирования технологических отклонений. Реконфигурируемая интегральная схема была выполнена по технологии КНИ с проектной нормой 180 нм. Интегральная схема представляет собой единое схемотехническое решение, позволяющее проводить подстройку рабочей точки датчика, измерение температуры, генерирование тактового сигнала для цифровой части схемы и цифровую обработку полезного сигнала. Синтез интегральной схемы проводился с помощью системного и схемотехнического моделирования. Верификация алгоритмов цифровой обработки сигналов проводилась с помощью прототипирования на ПЛИС. Для образцов с верхними пределами измерений 100 кПа и 1 МПа были проведены экспериментальные исследования, показавшие, что разработанный датчик давления на основе микросборки позволяет достичь основной ошибки не более 0,06%.

Информатика, телекоммуникации и управление = Computing, Telecommunications and Control. — Санкт-Петербург: СПбПУ, 2020-. — Электрон. журнал. — Периодичность: 4 раза в год. — Свободный доступ из сети Интернет (чтение, печать, копирование). — Текст: электронный

Информатика, телекоммуникации и управление = Computing, Telecommunications and Control. — Санкт-Петербург: СПбПУ, 2020-. Т. 18, № 1, 2025. — 1 файл (10,7 Мб). — Свободный доступ из сети Интернет (чтение, печать, копирование). — <URL:http://elib.spbstu.ru/dl/2/j25-123.pdf>.