Данная работа посвящена разработке аналогового тракта емкостного МЭМС-акселерометра. В работе рассмотрены основные архитектуры интерфейсов для емкостных МЭМС-акселерометров, выявлены их достоинства и недостатки. Определены основные источники ошибок при измерении сигнала с емкостного МЭМС-акселерометра, приведены основные методы их устранения. Спроектирована системная модель МЭМС-акселерометра, на основе которой определены основные требования к блокам интегральной схемы. Предложена архитектура аналогового тракта микромеханического акселерометра и проведен ее анализ и моделирование. Разработана топология интегральной схемы и проведено ее тестирование. Выполнены анализ и сравнение результатов, а также сформулированы предложения по дальнейшему улучшению схемы.

The given work is devoted to the design of the analog front-end of the capacitive MEMS accelerometer. In the following thesis the basic capacitive accelerometer ASIC design approaches are discussed. The main error sources in such systems are analyzed. The detailed analysis and design of the system model for the capacitive MEMS accelerometer are provided. Analog front-end with a charge-balanced C/V converter is presented and analyzed. Detailed analog circuit design and simulation for each block are provided. Testing of the device is performed and achieved results are analyzed. In conclusion, some further work is discussed.

• List of abbreviations
• Introduction
• CAPACITIVE MEMS ACCELEROMETER OVERVIEW
  • Generalized accelerometer model
  • Capacitive MEMS accelerometer
    • Basic electrode structures
    • Electrostatic force
    • Pull-in voltage
    • Spring softening effect
  • Proof mass displacement detection
  • Capacitive MEMS accelerometer interfaces
    • Open-loop interface
    • Charge-balanced interface
    • Force-feedback interface
  • Motivation
• SYSTEM DESIGN OF THE CAPACITIVE MEMS ACCELEROMETER
  • MEMS accelerometer model overview
  • Mechanical transducer
  • Electrode structure model
  • Front-end model
• CAPACITIVE MEMS ACCELEROMETER ANALOG FRONT-END DESIGN
  • Error sources in MEMS accelerometers
    • Mechanical errors
    • Electronic errors
    • Environment-induced errors
  • Entire system overview
    • Chopping
    • Correlated double sampling
    • Front-end z-domain analysis
  • Capacitance-to-voltage converter design
    • Fully-differential folded cascode operational amplifier with AB-class output stage
    • Switches design
  • Summing amplifier
  • Low-pass filter
  • Programmable gain amplifier
  • Front-end modelling
  • Chip design
• ANALOG FRONT-END TESTING
  • IC overview
  • Testing results
    • Noise measurements
    • Acceleration measurements
    • Offset drift
    • Nonlinearity
• Conclusion