Design of agile signal conditioning circuits for microelectromechanical sensors

Vejdani, Parisa (2019). Design of agile signal conditioning circuits for microelectromechanical sensors. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Microelectromechanical systems (MEMS) are used in many applications to detect physical parameters and convert them to an electrical signal. The output of MEMS-based transducers is usually not suitable to be directly processed in the digital or the analog domain, and they could be as small as femto farads in capacitive sensing and micro volts in resistive sensing. Consequently, high sensitivity signal conditioning circuits are essential. In this thesis, it is shown that both the noise and input capacitance are important parameters to ensure optimal capacitive sensing. The dominant noise source in MEMS conditioning circuits is flicker noise, and one of the best methods to mitigate flicker noise is the chopping technique. Three different chopping techniques are considered: single chopper amplifier (SCA), dual chopper amplifier (DCA), and two-stage single chopper amplifier (TCA). Also, their sensitivity and power consumption based on the total gain and sensing capacitance are extracted. It is shown that the distribution of gain between the two stages in the DCA and TCA has a significant effect on the sensitivity, and, based on this distribution, the sensitivity and power consumption change significantly. For small sensor capacitances, the highest sensitivity could be achieved by a DCA because of its ability to decrease the noise floor and the input sensor capacitance simultaneously. A novel DCA is proposed to reach higher sensitivity and reduced power consumption. In this DCA, two supply voltages are utilized, and the second stage is composed of two parallel paths that improve the SNR and provide two gain settings. This circuit is fabricated in the GlobalFoundries 0.13 μm CMOS technology. The measurement results show a power consumption of 2.66 μW for the supply voltage of 0.7 V and of 3.26 μW for the supply voltage of 1.2 V. The single path DCA has a gain of 34 dB with bandwidth of 4 kHz and input noise floor of 25 nV/√Hz. The dual path DCA has a gain of 38 dB with bandwidth of 3 kHz and input noise floor of 40 nV/√Hz. To be able to detect the signal near DC frequencies, another circuit is proposed which has a configurable bandwidth and a sub-μHz noise corner frequency. This circuit is composed of three stages, and three chopping frequencies are used to mitigate the flicker noise of the three stages. The simulated circuit is designed in the GlobalFoundries 0.13 μm CMOS technology with supply voltages of 0.4 V and 1.2 V. The total power consumption is of 6.7 μW. A gain of 68 dB and bandwidths of 1, 10, 100 and 1000 Hz are achieved. The input referred noise floor is of 20.5 nV/√Hz and the design attains a good power efficiency factor of 4.0. In the capacitive mode, the noise floor is of 3.6 zF for a 100 fF capacitance sensor.

Titre traduit

Conception d'un circuit de conditionnement de signal agile pour capteurs microélectromécaniques

Résumé traduit

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.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 127-145).
Mots-clés libres:	hacheur, faible bruit, faible consommation, fréquence de coupure basse, amplificateur à double hacheur, sensibilité à la capacité, sensibilité élevée
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nabki, Frédéric
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	06 août 2019 14:39
Dernière modification:	06 août 2019 14:39
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2345

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