Implementation of Autobalancing Bridge on FPGA for Impedance Measurements
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2020-08-17
Department
Major/Subject
Micro- and Nanoelectronic Circuit Design
Mcode
ELEC3036
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
41 + 9
Series
Abstract
MEMS-based inertial sensors offer low-cost, accurate motion sensing in a small form factor, and thus are widely used in various applications. Electrical testing of MEMS sensors is an important step in their manufacturing process, ensuring fulfillment of specifications and reliable operation. One of these tests is impedance measurement. Impedance measurement of MEMS sensors provides many challenges for an impedance measurement system, including for example the need for a measurement frequency that is high compared to the frequency response of MEMS element. This master’s thesis presents the design, implementation and testing of a digital impedance measurement system for measuring the capacitances of MEMS elements. The operation of the system is based on the autobalancing bridge, utilizing the leasmean squares (LMS) algorithm to balance two signals over the MEMS element and a reference impedance. In order to aid the design process, a simulation model of the system was developed. The proposed system consists of a digital section implemented on an FPGA as well as an ADC, DACs and an analogue section. It operates at a measurement frequency of 1 MHz and achieves a repeatability of 5.8 sigma for the targeted 1 percent accuracy, but suffers from poor linearity. Possible fixes to the nonlinearity as well as other methods for further optimization of performance are proposed.Mikrosysteemeihin (MEMS) perustuvat liikeanturit tarjoavat edullisen tavan liikkeen tunnistukselle pienessä koossa, minkä takia niitä käytetään laajasti erilaisissa sovelluksissa. Sähköinen testaus on tärkeä osa MEMS-antureiden valmistusprosessia. Sähköisellä testauksella varmistetaan, että anturit täyttävät niille määritellyt spesifikaatiot sekä toimivat luotettavasti. Yksi tärkeimmistä mittauksista sähköisessä testaamisessa on impedanssimittaus. MEMS-anturien impedanssimittaus asettaa impedanssimittajärjestelmälle monia vaatimuksia, kuten korkean mittataajuudenelementin resonanssitaajuuteen verrattuna. Tässä diplomityössä suunnitellaan ja toteutetaan autobalansoivaan siltaan perustuva digitaalinen impedanssimittausjärjestelmä, joka soveltuu erityisesti kapasitiivisten MEMS-antureiden mittaamiseen. Suunnittelun avuksi järjestelmästä tehtiin ensin simulaatiomalli, jonka avulla eri parametrien vaikutusta systeemin toimintaan tutkittiin. Järjestelmän toiminta perustuu autobalansoivaan siltaan, ja käyttää LMS-algoritmia balansoidakseen kaksi signaalia MEMS-elementin ja referenssi-impedanssin yli. Toteutettu järjestelmä koostuu ohjelmoitavaan porttimatriisipiiriin (FPGA) perustuvasta digitaaliosuudesta, digitaali-analogia- ja analogia-digitaalimuuntimista sekä analogiaosuudesta. Järjestelmä toimii 1MHz mittataajuudella ja saavuttaa 5.8 sigman toistettavuuden tavoitteena olleella yhden prosentin tarkkuudella, mutta kärsii huonosta lineaarisuudesta. Työ esittelee mahdollisia ratkaisuja epälineaarisuuteen sekä muita tapoja optimoida järjestelmän suorituskykyä edelleen.Description
Supervisor
Ryynänen, JussiThesis advisor
Ontronen, AnttiKeywords
impedance measurement, FPGA, autobalancing bridge, MEMS, LMS