Capacitive Accelerometer Interfaces Utilising High-Q Micromechanical Sensor Elements
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (monograph)
| Defence date: 2013-06-27
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
132
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 99/2013
Abstract
The focus of the research work presented in this thesis was to design a low-noise accelerometer utilising a microfabricated, capacitive sensor element, which had a high quality factor, Q. The sensor element with high Q leads to a low Brownian noise floor. However, the high Q of the sensor element also leads to a high settling time and it may also lead to saturation of the sensor element displacement or the interfacing electronics. Thus, the high Q of the sensor element needs to be damped to achieve a reliable, low-noise operation. In this thesis, first, we go through the different interface topologies present in the existing literature to summarise both the advantages and disadvantages of the open- and closed-loop capacitive interfaces. Then, the building blocks of a capacitive accelerometer, a capacitive sensor element, different charge sensitive amplifiers (CSA) and first-order controllers, are studied. Later, we present the implementation of two accelerometer interfaces. The first implementation utilises a closed-loop, switched-capacitor analog interface. The measurements showed that the accelerometer is able to achieve both a low-noise and reliable operation, i.e. high Q of the sensor element is damped. Due to the closed-loop interface, the interface output was inversely proportional to the supply voltage. When the interface output was fed to an analog-to-digital converter (ADC), which uses supply voltage as reference voltage, the accelerometer output was dependent on the supply voltage meaning that the noise at the supply voltage is seen at the accelerometer output. In order to overcome this issue, a second interface was implemented. The second implementation utilised a novel hybrid interface, which consisted of a ratiometric, open-loop interface and an AC force-feedback. The AC force-feedback was utilised only to damp the high Q of the sensor element, whereas the ratiometric output of the interface was fed to an ADC, which uses the supply voltage as reference voltage, in order to decrease the dependency of the output to the supply voltage. The measurement results of the second implementation has shown that the hybrid interface is able to damp the high Q of the sensor element and to decrease the output dependency to the supply.Tutkimuksen keskeisenä osana on matalakohinaisen kiihtyvyysanturin suunnittelu mikrotyöstettyä kapasitiivista korkean Q-arvon anturielementtiä käyttäen. Korkean Q-arvon anturielementin käyttö johtaa matalaan Brownin kohinalattiaan. Samalla se johtaa kuitenkin pitkään asettumisaikaan ja mahdollisesti anturielementin siirtymän tai rajapintaelektroniikan saturoitumiseen. Korkean Q-arvon anturielementti on näin ollen vaimennettava, jotta matalakohinainen ja luotettava toiminta voidaan taata. Väitöskirjassa tutkitaan erilaisia kirjallisuudessa esitettyjä rajapintatopologioita, joiden perusteella tehdään yhteenveto avointen ja suljettujen silmukoiden kapasitiivisten rajapintojen eduista ja haitoista. Tämän jälkeen tarkastellaan kapasitiivisen kiihtyvyysanturin rakennetta: kapasitiivista anturielementtiä, varausvahvistimia ja ensimmäisen kertaluvun säätimiä. Jäljempänä käsitellään kahta kiihtyvyysanturin rajapintaa. Ensimmäisessä rajapintatoteutuksessa käytettiin analogista suljetun silmukan rakennetta ja kytkin-kondensaattoritekniikkaa. Mittaukset osoittivat, että kiihtyvyysanturi kykenee alhaiseen kohinatasoon ja luotettavaan toimintaan, mikä tarkoittaa sitä, että anturielementin korkea Q-arvo vaimentuu. Rajapinnan lähtö oli kääntäen verrannollinen käyttöjännitteeseen, sillä rajapinta käytti suljetun silmukan rakennetta. Kun rajapinnan lähtö syötettiin analogia-digitaalimuuntimeen, joka käyttää käyttöjännitettä vertailujännitteenä, kiihtyvyysanturin lähtö oli riippuvainen käyttöjännitteestä. Tämä merkitsi sitä, että käyttöjännitteen kohina näkyi kiihtyvyysanturin lähdössä. Asian korjaamiseksi toteutettiin toinen rajapinta. Toinen rajapintatoteutus käytti uutta hybridirajapintaa, joka muodostuu ratiometrisesta avoimen silmukan rajapinnasta ja AC-muotoisen voiman takaisinkytkennästä. AC-muotoisen voiman takaisinkytkentää käytettiin ainoastaan anturielementin korkean Q-arvon vaimentamiseen. Rajapinnan ratiometrinen lähtö puolestaan syötettiin analogia-digitaalimuuntimeen, joka käyttää käyttöjännitettä vertailujännitteenä lähdön käyttöjänniteriippuvuuden vähentämisessä . Toisesta toteutuksesta saadut mittaustulokset ovat osoittaneet, että hybridirajapinta kykenee vaimentamaan anturielementin korkean Q-arvon ja vähentämään lähdön riippuvuutta käyttöjännitteestä.Description
Supervising professor
Halonen, Kari, Prof., Aalto University, FinlandThesis advisor
Aaltonen, Lasse, Dr., Aalto University, FinlandKeywords
accelerometer, sensor interface, capacitive sensor, high-Q, closed-loop, low-noise, kiihtyvyysanturi, anturirajapinta, kapasitiivinen anturi, korkea Q-arvo, suljettu silmukka, matalakohinainen
