A Programmable Differential Transimpedance Amplifier for Capacitive MEMS Accelerometers

In this work, a fully-differential transimpedance amplifier with programmable gain and bandwidth for MEMS accelerometers is presented. It is aimed for a differential surface-micromachined combfinger capacitive accelerometer, but can be used in many other capacitive sensor applications

Programmable low-power low-noise capacitance to voltage converter for MEMS accelerometers

In this work, we present a capacitance-to-voltage converter (CVC) for capacitive accelerometers based on microelectromechanical systems (MEMS). Based on a fully-differential transimpedance amplifier (TIA), it features a 34-dB transimpedance gain control and over one decade programmable bandwidth, from 75 kHz to 1.2 MHz. The TIA is aimed for low-cost low-power capacitive sensor applications. It has been designed in a standard 0.18-µm CMOS technology and its power consumption is only 54 µW. At the maximum transimpedance configuration, the TIA shows an equivalent input noise of 42 fA/vHz at 50 kHz, which corresponds to 100 µg/vHz

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

CMOS systems and circuits for sub-degree per hour MEMS gyroscopes

The objective of our research is to develop system architectures and CMOS circuits that interface with high-Q silicon microgyroscopes to implement navigation-grade angular rate sensors. The MEMS sensor used in this work is an in-plane bulk-micromachined mode-matched tuning fork gyroscope (M² – TFG ), fabricated on silicon-on-insulator substrate. The use of CMOS transimpedance amplifiers (TIA) as front-ends in high-Q MEMS resonant sensors is explored. A T-network TIA is proposed as the front-end for resonant capacitive detection. The T-TIA provides on-chip transimpedance gains of 25MΩ, has a measured capacitive resolution of 0.02aF /√Hz at 15kHz, a dynamic range of 104dB in a bandwidth of 10Hz and consumes 400μW of power. A second contribution is the development of an automated scheme to adaptively bias the mechanical structure, such that the sensor is operated in the mode-matched condition. Mode-matching leverages the inherently high quality factors of the microgyroscope, resulting in significant improvement in the Brownian noise floor, electronic noise, sensitivity and bias drift of the microsensor. We developed a novel architecture that utilizes the often ignored residual quadrature error in a gyroscope to achieve and maintain perfect mode-matching (i.e.0Hz split between the drive and sense mode frequencies), as well as electronically control the sensor bandwidth. A CMOS implementation is developed that allows mode-matching of the drive and sense frequencies of a gyroscope at a fraction of the time taken by current state of-the-art techniques. Further, this mode-matching technique allows for maintaining a controlled separation between the drive and sense resonant frequencies, providing a means of increasing sensor bandwidth and dynamic range. The mode-matching CMOS IC, implemented in a 0.5μm 2P3M process, and control algorithm have been interfaced with a 60μm thick M2−TFG to implement an angular rate sensor with bias drift as low as 0.1°/hr ℃ the lowest recorded to date for a silicon MEMS gyro.Ph.D.Committee Chair: Farrokh Ayazi; Committee Member: Jennifer Michaels; Committee Member: Levent Degertekin; Committee Member: Paul Hasler; Committee Member: W. Marshall Leac

Interface Circuits for Microsensor Integrated Systems

ca. 200 words; this text will present the book in all promotional forms (e.g. flyers). Please describe the book in straightforward and consumer-friendly terms. [Recent advances in sensing technologies, especially those for Microsensor Integrated Systems, have led to several new commercial applications. Among these, low voltage and low power circuit architectures have gained growing attention, being suitable for portable long battery life devices. The aim is to improve the performances of actual interface circuits and systems, both in terms of voltage mode and current mode, in order to overcome the potential problems due to technology scaling and different technology integrations. Related problems, especially those concerning parasitics, lead to a severe interface design attention, especially concerning the analog front-end and novel and smart architecture must be explored and tested, both at simulation and prototype level. Moreover, the growing demand for autonomous systems gets even harder the interface design due to the need of energy-aware cost-effective circuit interfaces integrating, where possible, energy harvesting solutions. The objective of this Special Issue is to explore the potential solutions to overcome actual limitations in sensor interface circuits and systems, especially those for low voltage and low power Microsensor Integrated Systems. The present Special Issue aims to present and highlight the advances and the latest novel and emergent results on this topic, showing best practices, implementations and applications. The Guest Editors invite to submit original research contributions dealing with sensor interfacing related to this specific topic. Additionally, application oriented and review papers are encouraged.

High performance readout circuits and devices for Lorentz force resonant CMOS-MEMS magnetic sensors

In the last decades, sensing capabilities of martphones have greatly improved since the early mobile phones of the 90’s. Moreover, wearables and the automotive industry require increasing electronics and sensing sophistication. In such echnological advance, Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) have played an important role as accelerometers and gyroscopes were the first sensors based on MEMS technology massively introduced in the market. In contrast, it still does not exist a commercial MEMS-based compass, even though Lorentz force MEMS magnetometers were first proposed in the late 90’s. Currently, Lorentz force MEMS magnetometers have been under the spotlight as they can offer an integrated solution to nowadays sensing power. As a consequence, great advances have been achieved, but various bottlenecks limit the introduction of Lorentz force MEMS compasses in the market. First, current MEMS magnetometers require high current consumption and high biasing voltages to achieve good sensitivities. Moreover, even though devices with excellent performance and sophistication are found in the literature, there is still a lack of research on the readout electronic circuits, specially in the digital signal processing, and closed loop control. Second, most research outcomes rely on custom MEMS fabrication rocesses to manufacture the devices. This is the same approach followed in current commercial MEMS, but it requires different fabrication processes for the electronics and the MEMS. As a consequence, manufacturing cost is high and sensor performance is affected by the MEMS-electronics interface parasitics. This dissertation presents potential solutions to these issues in order to pave the road to the commercialization of Lorentz force MEMS compasses. First, a complete closed loop, digitally controlled readout system is proposed. The readout circuitry, implemented with off-the-shelf commercial components, and the digital control, on an FPGA, are proposed as a proof of concept of the feasibility, and potential benefits, of such architecture. The proposed system has a measured noise of 550 nT / vHz while the MEMS is biased with 300 µA rms and V = 1 V . Second, various CMOS-MEMS magnetometers have been designed using the BEOL part of the TSMC and SMIC 180 nm standard CMOS processes, and wet and vapor etched. The devices measurement and characterisation is used to analyse the benefits and drawbacks of each design as well as releasing process. Doing so, a high volume manufacturing viability can be performed. Yield values as high as 86% have been obtained for one device manufactured in a SMIC 180 nm full wafer run, having a sensitivity of 2.82 fA/µT · mA and quality factor Q = 7.29 at ambient pressure. While a device manufactured in TSMC 180 nm has Q = 634.5 and a sensitivity of 20.26 fA/µT ·mA at 1 mbar and V = 1 V. Finally, an integrated circuit has been designed that contains all the critical blocks to perform the MEMS signal readout. The MEMS and the electronics have been manufactured using the same die area and standard TSMC 180 nm process in order to reduce parasitics and improve noise and current consumption. Simulations show that a resolution of 8.23 µT /mA for V = 1 V and BW = 10 Hz can be achieved with the designed device.En les últimes dècades, tenint en compte els primers telèfons mòbils dels anys 90, les capacitats de sensat dels telèfons intel·ligents han millorat notablement. A més, la indústria automobilística i de wearables necessiten cada cop més sofisticació en el sensat. Els Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) han tingut un paper molt important en aquest avenç tecnològic, ja que acceleròmetres i giroscopis varen ser els primers sensors basats en la tecnologia MEMS en ser introduïts massivament al mercat. En canvi, encara no existeix en la indústria una brúixola electrònica basada en la tecnologia MEMS, tot i que els magnetòmetres MEMS varen ser proposats per primera vegada a finals dels anys 90. Actualment, els magnetòmetres MEMS basats en la força de Lorentz són el centre d'atenció donat que poden oferir una solució integrada a les capacitats de sensat actuals. Com a conseqüència, s'han aconseguit grans avenços encara que existeixen diversos colls d'ampolla que encara limiten la introducció al mercat de brúixoles electròniques MEMS basades en la força de Lorentz. Per una banda, els agnetòmetres MEMS actuals necessiten un consum de corrent i un voltatge de polarització elevats per aconseguir una bona sensibilitat. A més, tot i que a la literatura hi podem trobar dispositius amb rendiments i sofisticació excel·lents, encara existeix una manca de recerca en el circuit de condicionament, especialment de processat digital i control del llaç. Per altra banda, moltes publicacions depenen de processos de fabricació de MEMS fets a mida per fabricar els dispositius. Aquesta és la mateixa aproximació que s'utilitza actualment en la indústria dels MEMS, però té l'inconvenient que requereix processos de fabricació diferents pels MEMS i l’electrònica. Per tant, el cost de fabricació és alt i el rendiment del sensor queda afectat pels paràsits en la interfície entre els MEMS i l'electrònica. Aquesta tesi presenta solucions potencials a aquests problemes amb l'objectiu d'aplanar el camí a la comercialització de brúixoles electròniques MEMS basades en la força de Lorentz. En primer lloc, es proposa un circuit de condicionament complet en llaç tancat controlat digitalment. Aquest s'ha implementat amb components comercials, mentre que el control digital del llaç s'ha implementat en una FPGA, tot com una prova de concepte de la viabilitat i beneficis potencials que representa l'arquitectura proposada. El sistema presenta un soroll de 550 nT / vHz quan el MEMS està polaritzat amb 300 µArms i V = 1 V . En segon lloc, s'han dissenyat varis magnetòmetres CMOS-MEMS utilitzant la part BEOL dels processos CMOS estàndard de TSMC i SMIC 180 nm, que després s'han alliberat amb líquid i gas. La mesura i caracterització dels dispositius s’ha utilitzat per analitzar els beneficis i inconvenients de cada disseny i procés d’alliberament. D'aquesta manera, s'ha pogut realitzar un anàlisi de la viabilitat de la seva fabricació en massa. S'han obtingut valors de yield de fins al 86% per un dispositiu fabricat amb SMIC 180 nm en una oblia completa, amb una sensibilitat de 2.82 fA/µT · mA i un factor de qualitat Q = 7.29 a pressió ambient. Per altra banda, el dispositiu fabricat amb TSMC 180 nm presenta una Q = 634.5 i una sensibilitat de 20.26 fA/µT · mA a 1 mbar amb V = 1 V. Finalment, s'ha dissenyat un circuit integrat que conté tots els blocs per a realitzar el condicionament de senyal del MEMS. El MEMS i l'electrònica s'han fabricat en el mateix dau amb el procés estàndard de TSMC 180 nm per tal de reduir paràsits i millorar el soroll i el consum de corrent. Les simulacions mostren una resolució de 8.23 µT /mA amb V = 1 V i BW = 10 Hz pel dispositiu dissenyat

Advanced single-chip temperature stabilization system for silicon MEMS resonators and gyroscopes

The main objective of this research is to develop temperature and frequency stabilization techniques for silicon MEMS oven-controlled crystal oscillators (MEMS OCXO) with high-frequency stability. The device was built upon an ovenized platform that used a micro-heater to adjust the temperature of the resonator. Structural resistance-based (Rstruc) temperature sensing was used to improve the self-temperature monitoring accuracy of the silicon MEMS resonator. An analog feedback micro-oven control loop and a feedforward digital calibration scheme were developed for a 77MHz MEMS oscillator, which achieved a ±0.3ppm frequency stability from -25°C to 85°C. An AC heating scheme was also developed to enable tighter integration of the resonator, temperature sensor (Rstruc) and heaters. This temperature stabilization technique was also applied to silicon MEMS mode-matched vibratory x/y-axis and z-axis gyroscopes on a single chip. The temperature-induced frequency change, scale factor and output bias variations were all reduced significantly. The complete interface circuit for the single-chip three axes gyroscopes were also developed with an innovative trans-impedance amplifier to reduce the input-referred noise. For the first time, the simultaneous operation of mode-matched vibratory 3-axis MEMS gyroscopes on a single chip was demonstrated.Ph.D

Design of Low Noise Readout Amplifiers for Monolithic Capacitive CMOS-MEMS Accelerometers

[ANGLÈS] This thesis report describes the design process, the implementation and the simulation and measurement results of two different readout circuits to be used with two monolithic MEMS accelerometers fabricated by post-CMOS surface micromachining based on isotropic wet etching in IHP SiGe 0,25 μm technology. The first design is used with a 50 fF z-axis sensor and the second design with a 200 fF sensor as well as the first sensor. The approach used has been the Continuous Time Voltage (CTV) sensing implemented in two ways. The first readout circuit implements a CTV sensing utilising an open-loop topology whereas the second design implements a CTV sensing with a closed-loop amplifier and low duty-cycle reset. In both designs, chopper stabilisation has been implemented to get rid of DC offset and Flicker noise, making both designs to work beyond the noise corner frequency to obtain the lowest achievable noise floor: thermal noise. The target during the design of both circuits has been to design amplifying circuits with a thermal noise equal or below the Brownian-noise of the capacitive sensor in order to make the noise from the sensor to be dominant. This has been possible by means of a deep study of noise and the optimisation of the transistor dimensions ratio that have the highest noise influence: input pair transistors. In both cases, equations that relate input node capacitance with noise have been found and final values have been obtained by fine tuning using the design software following the hypothesis found in the derived equations. The first design has been fabricated and total noise using opamp measured noise shows a noise floor of 238μg/rt-Hz, a lower noise value than designs with sensors having a similar sensitivity found in the literature. Second design has not been fabricated yet, but simulations also show a good noise performance of 20μg/rt-Hz with the second sensor. However, differences in measured and simulated noise in the first design shows that the total noise of the second design using the second sensor may be lower than the simulated value due to a rather pessimistic noise model used by the software.[CASTELLÀ] Esta tesis describe el proceso de diseño, la implementación y los resultados de las simulaciones y las medidas de dos circuitos de acondicionamiento de señal para ser usados con dos sensores de aceleración monolíticos fabricados mediante el proceso post-CMOS surface micromachining basado en isotropic wet etching en tecnología IHP SiGe 0,25 μm. El primer diseño se ha implementado con un sensor de 50 fF de z-axis, mientras que el segundo se ha implementado, además de con éste mismo sensor, con un segondo sensor de 200 fF. El método utilizado ha sido el de sensado de Voltage en Tiempo Continuo (CTV) implementado de dos maneras. El primer diseño implementa el sensador CTV utilisando una topología en lazo abierto, mientras que el segundo diseño implementa el sensado CTV mediante un amplificador en lazo cerrado y un reset con bajo duty-cycle. En ambos diseños, se ha usado la estabilizació chopper para eliminar el offset DC y el ruido Flicker, haciendo trabajar ambos diseños por encima de la frecuencia codo de ruido para obtener el riudo mínimo: ruido térmico. El objetivo durante el diseño de los dos circuitos ha sido el de diseñar dos circuitos de acondicionamiento con un ruido térmico igual o inferior al ruido Browniano del sensor capacitivo de modo que el ruido dominante sea el que proveniente del sensor. Ésto ha sido posible gracias a un profundo estudio del ruido y la optimizacion de las dimensiones de los transistores que tienen una mayor influencia: el par de transistores de entrada. En los dos casos, se han elaborado equaciones que relacionan la capacidad en el nodo de entrada con el ruido, y los valores finalmente usados han sido obtenidos mediante el software de diseño siguiendo las hipótesis marcadas por las expresiones obtenidas. El primer diseño ha sigdo fabricado i el ruido total usando el ruido medido del amplificador es de 238μg/rt-Hz, un ruido más bajo que el de diseños encontrados en la literatura con sensores con una sensibilidad similar. El segundo diseño aún no se ha fabricado, pero las simulaciones muestran un buen ruido de 20μg/rt-Hz con el segundo sensor. Sin embargo, las diferencia encontradas entre el ruido medido y el simulado del primer diseño hacen creer que el ruido del segundo diseño con el segundo sensor podria ser menor debido a que los modelos usados por el software parecen ser pesimistas respecto al ruido.[CATALÀ] Aquesta tesi descriu el procés de disseny, la implementació i els resultats de les simulacions i les mesures de dos circuits de condicionament de senyal per ser usats amb dos sensors d'acceleració monolítics fabricats en el procés post-CMOS surface micromachining basat en isotropic wet etching en tecnologia IHP SiGe 0,25 μm. El primer disseny s'ha implementat amb un sensor de 50 fF de z-axis, mentre que el segon s'ha implementat, a més a més d'aquest mateix sensor, amb un segon sensor de 200 fF. El mètode utilitzat ha sigut el de sensat de Voltatge en Temps Continu (CTV) implementat de dues maneres. El primer disseny implementa el sensat CTV utilitzant una topologia en llaç obert, mentre que el segon disseny implementa el sensat CTV mitjançant un amplificador en llaç tancat i un reset amb baix duty-cycle. En ambdós dissenys, s'ha usat estabilització chopper per a eliminar offset DC i soroll Flicker, fent treballar els dos dissenys per sobre de la freqüència colze de soroll per tal d'obtenir el mínim soroll: soroll tèrmic. L'objectiu durant el disseny dels dos circuits ha sigut el de dissenyar dos circuits de condicionament amb un soroll tèrmic igual o menor al soroll Brownià del sensor capacitiu per tal de fer que el soroll dominant sigui el provinent del sensor. Això ha sigut possible gràcies a un profund estudi del soroll i l'optimització de les dimensions dels transistors que tenen una major influència: el parell de transistors d'entrada. En els dos casos, s'han elaborat equacions que relacionen la capacitat al node d'entrada amb el soroll, i els valors finalment usats han sigut obtinguts utilitzant el software de disseny seguint les hipòtesis marcades per les expressions obtingudes. El primer disseny ha sigut fabricat i el soroll total usant el soroll mesurat de l'amplificador és de 238μg/rt-Hz, un soroll més baix que dissenys trobats a la literatura amb sensors amb una sensitivitat similar. El segon disseny no s'ha fabricat encara, però les simulacions mostren un bon valor de soroll de 20μg/rt-Hz amb el segon sensor. Malgrat tot, les diferències trobades entre el soroll mesurat i el simulat per al primer disseny fan creure que el soroll del segon disseny amb el segon sensor podria ser menor degut a que els models usats pel software semblen ser pessimistes pel que fa al soroll

Sub-Femto-Farad Resolution Electronic Interfaces for Integrated Capacitive Sensors: A Review

Capacitance detection is a universal transduction mechanism used in a wide variety of sensors and applications. It requires an electronic front-end converting the capacitance variation into another more convenient physical variable, ultimately determining the performance of the whole sensor. In this paper we present a comprehensive review of the different signal conditioning front-end topologies targeted in particular at sub-femtofarad resolution. Main design equations and analysis of the limits due to noise are reported in order to provide the designer with guidelines for choosing the most suitable topology according to the main design specifications, namely energy consumption, area occupation, measuring time and resolution. A data-driven comparison of the different solutions in literature is also carried out revealing that resolution, measuring time, area occupation and energy/conversion lower than 100 aF, 1 ms 0.1 mm2, and 100 pJ/conv. can be obtained by capacitance to digital topologies, which therefore allow to get the best compromise among all design specifications

Degree-per-hour mode-matched micromachined silicon vibratory gyroscopes

The objective of this research dissertation is to design and implement two novel micromachined silicon vibratory gyroscopes, which attempt to incorporate all the necessary attributes of sub-deg/hr noise performance requirements in a single framework: large resonant mass, high drive-mode oscillation amplitudes, large device capacitance (coupled with optimized electronics), and high-Q resonant mode-matched operation. Mode-matching leverages the high-Q (mechanical gain) of the operating modes of the gyroscope and offers significant improvements in mechanical and electronic noise floor, sensitivity, and bias stability. The first micromachined silicon vibratory gyroscope presented in this work is the resonating star gyroscope (RSG): a novel Class-II shell-type structure which utilizes degenerate flexural modes. After an iterative cycle of design optimization, an RSG prototype was implemented using a multiple-shell approach on (111) SOI substrate. Experimental data indicates sub-5 deg/hr Allan deviation bias instability operating under a mode-matched operating Q of 30,000 at 23ºC (in vacuum). The second micromachined silicon vibratory gyroscope presented in this work is the mode-matched tuning fork gyroscope (M2-TFG): a novel Class-I tuning fork structure which utilizes in-plane non-degenerate resonant flexural modes. Operated under vacuum, the M2-TFG represents the first reported high-Q perfectly mode-matched operation in Class-I vibratory microgyroscope. Experimental results of device implemented on (100) SOI substrate demonstrates sub-deg/hr Allan deviation bias instability operating under a mode-matched operating Q of 50,000 at 23ºC. In an effort to increase capacitive aspect ratio, a new fabrication technology was developed that involved the selective deposition of doped-polysilicon inside the capacitive sensing gaps (SPD Process). By preserving the structural composition integrity of the flexural springs, it is possible to accurately predict the operating-mode frequencies while maintaining high-Q operation. Preliminary characterization of vacuum-packaged prototypes was performed. Initial results demonstrated high-Q mode-matched operation, excellent thermal stability, and sub-deg/hr Allan variance bias instability.Ph.D.Committee Chair: Dr. Farrokh Ayazi; Committee Member: Dr. Mark G. Allen; Committee Member: Dr. Oliver Brand; Committee Member: Dr. Paul A. Kohl; Committee Member: Dr. Thomas E. Michael