VLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)ppt課件

1、東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-6VLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)第第6章章 集成微系統(tǒng)集成微系統(tǒng)MEMS 2019-2019東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.1 MEMS器件概念一個(gè)例子:NMOSFET諧振柵晶體管RGT .1 .1東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-6去除去除SiO2SiO2MEMS器件電容變化引起溝電容變化引起溝道電荷變化。道電荷變化。Q=CVQ=CV和和MOSMOS管相比，管相比，任務(wù)原理發(fā)生變?nèi)蝿?wù)原理發(fā)生變

2、化。化。但仍是四端器件但仍是四端器件6.1 MEMS器件概念一個(gè)例子:NMOSFET諧振柵晶體管RGT .1 .1東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.1 MEMS器件概念微系統(tǒng)集成的問(wèn)題.1 .1 工藝兼容性；工藝兼容性； 資料復(fù)用性；資料復(fù)用性； 描畫(huà)一致性和仿真一致性；描畫(huà)一致性和仿真一致性； 設(shè)計(jì)復(fù)雜性；設(shè)計(jì)復(fù)雜性； 處置電路多樣性。處置電路多樣性。 MEMS-MEMS-采樣采樣/ /放大；放大； 調(diào)制調(diào)制- -解調(diào)；解調(diào)； 模數(shù)變換；模數(shù)變換； 數(shù)字信號(hào)處置；數(shù)字信號(hào)處置； 東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)

3、院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.1 MEMS器件概念幾種簡(jiǎn)單的MEMS構(gòu)造 1. 簡(jiǎn)單梁構(gòu)造簡(jiǎn)單梁構(gòu)造.1 .1東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.1 MEMS器件概念幾種簡(jiǎn)單的MEMS構(gòu)造 1. 簡(jiǎn)單梁構(gòu)造簡(jiǎn)單梁構(gòu)造.1 .1東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.1 MEMS器件概念幾種簡(jiǎn)單的MEMS構(gòu)造 2. 簡(jiǎn)單膜構(gòu)造 .1 .1東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.1 MEMS器件概念幾種簡(jiǎn)

4、單的MEMS構(gòu)造 3. 多方向運(yùn)動(dòng)構(gòu)造.1 .1東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.1 MEMS器件概念幾種簡(jiǎn)單的MEMS構(gòu)造 .1 .14. 執(zhí)行運(yùn)動(dòng)構(gòu)造東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.1 MEMS器件概念幾種簡(jiǎn)單的MEMS構(gòu)造 .1 .1東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.1 MEMS器件概念幾種簡(jiǎn)單的MEMS構(gòu)造 .1 .1東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5、系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.1 MEMS器件概念多能域問(wèn)題和復(fù)雜性設(shè)計(jì)問(wèn)題 單片集成系統(tǒng)單片集成系統(tǒng) = MEMS + 電路電路 描畫(huà)描畫(huà): :力學(xué)力學(xué)熱學(xué)熱學(xué)電學(xué)電學(xué) 光學(xué)光學(xué).電學(xué)電學(xué)& &微電子學(xué)微電子學(xué)幅員幅員& &微電子加工工藝微電子加工工藝仿真仿真: :FEM / BEMKCL / KVL.1 .1東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.1 MEMS器件概念多能域問(wèn)題和復(fù)雜性設(shè)計(jì)問(wèn)題 單片集成系統(tǒng)單片集成系統(tǒng) = MEMS + 電路電路 力學(xué)力學(xué)熱學(xué)熱學(xué)電學(xué)電學(xué) 光學(xué)光學(xué).電學(xué)電學(xué)& &

6、;微電子學(xué)微電子學(xué)幅員幅員& &微電子加工工藝微電子加工工藝 一致描畫(huà)一致描畫(huà): :協(xié)同仿真協(xié)同仿真: :SPICE建模建模等效電路等效電路 網(wǎng)表網(wǎng)表電路網(wǎng)表電路網(wǎng)表基于基于KCLKCL、KVLKVL.1 .1東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.2 集成微系統(tǒng)1、集成濕度傳感器 .2 .2瑞士瑞士Sensirion公司公司SHT11/15型濕度溫度傳感器型濕度溫度傳感器東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.2 集成微系統(tǒng) 1、集成濕度傳感器 .2 .2東南大

7、學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.2 集成微系統(tǒng) 1、集成濕度傳感器 .2 .2傳感器傳感器 聚合物感濕資料介聚合物感濕資料介電常數(shù)隨濕度而改動(dòng)。電常數(shù)隨濕度而改動(dòng)。導(dǎo)致電容大小改動(dòng)。導(dǎo)致電容大小改動(dòng)。東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.2 集成微系統(tǒng) 2、集成加速度傳感器 .2 .2東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.2 集成微系統(tǒng) 2、集成加速度傳感器 .2 .2 靜止極板與運(yùn)動(dòng)極靜止極板與運(yùn)動(dòng)極板間距因加速度

8、而變。板間距因加速度而變。導(dǎo)致電容大小改動(dòng)。導(dǎo)致電容大小改動(dòng)。東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.2 集成微系統(tǒng) 3、集成胎壓傳感器 .2 .2東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.2 集成微系統(tǒng)3、集成胎壓傳感器 .2 .2 壓力使極板間距改壓力使極板間距改動(dòng)。導(dǎo)致電容值改動(dòng)。動(dòng)。導(dǎo)致電容值改動(dòng)。東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.2 集成微系統(tǒng)4、集成陀螺儀 .2 .2東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科

9、學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.2 集成微系統(tǒng) 4、集成陀螺儀-執(zhí)行器+傳感器.2 .2東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.2 集成微系統(tǒng) 4、集成陀螺儀-執(zhí)行器+傳感器.2 .2MEMS陀螺東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.2 集成微系統(tǒng) 4、集成陀螺儀-執(zhí)行器+傳感器.2 .2陀螺構(gòu)造與原理陀螺構(gòu)造與原理 哥氏力產(chǎn)生的非振動(dòng)哥氏力產(chǎn)生的非振動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)引起梳齒相對(duì)方向的運(yùn)動(dòng)引起梳齒相對(duì)運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)致電容值改動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)致電容值改動(dòng)。東南大學(xué)電子

10、科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.2 集成微系統(tǒng) 5、集成數(shù)字微鏡DMD -執(zhí)行器.2 .2東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.2 集成微系統(tǒng) 5、集成數(shù)字微鏡-執(zhí)行器.2 .2東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.2 集成微系統(tǒng) 5、集成數(shù)字微鏡-執(zhí)行器.2 .2單芯片投影系統(tǒng)單芯片投影系統(tǒng)三芯片投影系統(tǒng)三芯片投影系統(tǒng)東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.2 集

11、成微系統(tǒng) 5、集成數(shù)字微鏡-執(zhí)行器.2 .2 DMD是是MEMS執(zhí)行器的運(yùn)執(zhí)行器的運(yùn)用例如，利用尋址方式控制靜用例如，利用尋址方式控制靜電驅(qū)動(dòng)方式任務(wù)。電驅(qū)動(dòng)方式任務(wù)。東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.3 微弱信號(hào)處置.3.3 電容檢測(cè)電容檢測(cè) 壓阻檢測(cè)壓阻檢測(cè) 壓電檢測(cè)壓電檢測(cè) 隧道檢測(cè)隧道檢測(cè) 熱流式檢測(cè)技術(shù)熱流式檢測(cè)技術(shù) 諧振式檢測(cè)技術(shù)諧振式檢測(cè)技術(shù) 光纖式檢測(cè)技術(shù)光纖式檢測(cè)技術(shù)東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.3 微弱信號(hào)處置電容檢測(cè).3.3 傳感電容傳感電容

12、pfpf量級(jí)，電容變化量級(jí)，電容變化afaf量級(jí)量級(jí) 噪聲信噪比問(wèn)題噪聲信噪比問(wèn)題設(shè)計(jì)低噪聲，抗干擾才干強(qiáng)的微弱信號(hào)檢測(cè)設(shè)計(jì)低噪聲，抗干擾才干強(qiáng)的微弱信號(hào)檢測(cè)電路是電容式傳感器的關(guān)鍵之一電路是電容式傳感器的關(guān)鍵之一電容的微小變化量轉(zhuǎn)化為頻率，電流，電電容的微小變化量轉(zhuǎn)化為頻率，電流，電壓壓C-F C-F 、 C-IC-I、PWMPWM、C-V (C-V (電容電橋、開(kāi)關(guān)電電容電橋、開(kāi)關(guān)電容法、電荷放大法容法、電荷放大法) )東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.3 微弱信號(hào)處置C-F方法 2111211IICVVITTfSAB.3.3

13、多諧振蕩器多諧振蕩器I1I2I1I2充電過(guò)程：開(kāi)封鎖合充電過(guò)程：開(kāi)封鎖合 11IVVCTdtdvciABS 放電過(guò)程：開(kāi)關(guān)斷開(kāi)放電過(guò)程：開(kāi)關(guān)斷開(kāi) 122IIVVCTABS 東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.3 微弱信號(hào)處置C-I方法SrefSSCVFI .3.3初始情況初始情況:Cs:Cs上電壓為上電壓為0 0；比較器輸出為比較器輸出為0 0，M1M1、M2M2截止。截止。 有效有效:Cs:Cs上電壓不能突變，比上電壓不能突變，比較器反相端為較器反相端為Vref Vref ，比較器輸，比較器輸出為出為VssVss，M2M2導(dǎo)通。導(dǎo)

14、通。 CsCs放電，放電，比較器反相端趨于比較器反相端趨于0 0，輸出趨于，輸出趨于0 0，M2M2截止。截止。1 有效有效:Cs:Cs放電到放電到0 0電壓。電壓。2 東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.3 微弱信號(hào)處置 PWM方法.3.3傳感器以差分電容方式變化傳感器以差分電容方式變化東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.3 微弱信號(hào)處置 C-V 法(電容電橋法).3.3ERRRRRRVSout 31322差分差分東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 V

15、LSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.3 微弱信號(hào)處置 C-V法 (開(kāi)關(guān)電容法).3.3SrefSCVQ 在在1為高電平常，為高電平常，C1和和Cref 放電，放電，Cs充電。此時(shí)存儲(chǔ)在充電。此時(shí)存儲(chǔ)在Cs兩端的電荷兩端的電荷Qs為：為：在在2為高電平常，為高電平常，C1和和Cref 充電，充電，Cs放電。此時(shí)存儲(chǔ)在放電。此時(shí)存儲(chǔ)在Cref 兩端的電荷兩端的電荷Qref 為：為：refrefrefCVQ C1上電荷上電荷Q1為：為：輸出電壓為輸出電壓為: refSrefCCVQ 1 1C/CCVVrefSrefout 開(kāi)關(guān)電容電路的方式非開(kāi)關(guān)電容電路的方式非常多，但根本原理一樣。常多，但根

16、本原理一樣。東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.3 微弱信號(hào)處置C-V法電荷放大法fiSfiOCVCCQV .3.3電阻的作用是為運(yùn)放提供直流反響，使得反相輸入為零。電阻的作用是為運(yùn)放提供直流反響，使得反相輸入為零。fiOCdQdV1 東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.3 微弱信號(hào)處置載波調(diào)制方法單路載波.3.3兩路電荷放大電路兩路電荷放大電路infSSinfSinfSoutVCCCAVCCVCCAV213213 東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 V

17、LSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.3 微弱信號(hào)處置載波調(diào)制方法雙路載波.3.3兩路電荷求和兩路電荷求和infSSinfSinfSoutVCCCVCCVCCV2121 采用高頻載波進(jìn)展調(diào)制，可以有效避開(kāi)采用高頻載波進(jìn)展調(diào)制，可以有效避開(kāi)1/f 1/f 噪噪聲對(duì)電路的影響聲對(duì)電路的影響 東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 VLSIVLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-66.3 微弱信號(hào)處置噪聲處置斬波技術(shù).3.3 運(yùn)用調(diào)制技術(shù)將信號(hào)轉(zhuǎn)到更高的頻率，此頻段放大器沒(méi)有運(yùn)用調(diào)制技術(shù)將信號(hào)轉(zhuǎn)到更高的頻率，此頻段放大器沒(méi)有1/f 1/f 噪聲，然后在經(jīng)過(guò)放大后解調(diào)回基帶，由于斬波不會(huì)提高噪聲，然后在經(jīng)過(guò)放大后解調(diào)回基帶，由于斬波不會(huì)提高白噪聲部分，所以斬波更適宜低噪聲電路。白