Micro-Optoelectromechanical倾斜传感器

摘要

本文提出了一种新型的混合CMOS/MEMS倾斜传感器解决了的范围内。该装置采用由刚性体悬挂的基于MEMS的半圆形质量，突出的阴影到基于CMOS的光学传感器的表面。然后，使用布置为均匀分段环的一维光电二极管阵列通过检测半圆质量的位置来确定倾斜角度。完整的传感器占地面积在2.5毫米以下2.5毫米。

1.介绍

越来越多的医疗器械包括可植入的假肢和体磨损仪器在内的易感系统纳入身体内部和周围。物理限制要求这种设备紧凑，轻便，并且对自主的需求对这些系统强加了严格的电力预算。一个这样的传感器是测斜仪(或倾斜传感器)，它能感知物体相对于重力的方向。

在个性化医疗中，感知倾斜变得越来越重要，特别是当与其他传感器形式结合时。例如，在心脏监测器内安装的倾斜传感器可以提供病人活动的度量，为解释心电图数据提供额外的见解。在其他生物医学应用中，实时、准确的倾斜数据可以用于治疗，例如纠正前庭平衡障碍。

迄今为止开发的绝大多数倾斜传感器本质上是电容性（或导电），通常具有电解液填充空腔。这些系统已经由Bretterklieber等人开发。[1]以及最近使用MEMS技术[2，3.]。赵和雅佩曼[4]开发了一个数字的基于MEMS的倾斜传感器提供了简化接口电子设备的可能性。据报道，可以使用修改的加速度计实现倾斜计[5，6但是这样的系统通常在范围和/或灵敏度上是有限的。其他方法包括基于MEMS对流的[7]及光学微滤光片[8]倾斜传感器。

在本文中，我们提出了一种新颖的超低功耗倾斜传感器，产生数字输出。这已被实现为混合的双芯片方案（MEMS微结构/ CMOS视力芯片）的一部分，并且被制造。

2.系统架构与电路实现

该倾斜传感器采用微机械半圆质量光学表示重力场，然后采用定制的CMOS视觉芯片检测和解析矢量。这个概念如图所示1．

该设计将330分为两部分^°视野分为两个165^°半平面，我们选择称之为左右(LHS, RHS)视界。这在顶级系统体系结构中进行了说明，如图所示2．当微机械半圆形物体移动时，它会形成一个投影，投射到CMOS芯片的表面上，芯片的边缘穿过LHS和RHS的视界。因此,每个地平线探测器需要感测这些边缘的位置（或倾斜角）。通过取得差异，输出可以使用符号数字表示编码倾斜角度。

3.地平线探测器电路

半平面地平仪的电路实现如图所示3.．它由33个光电二极管元件组成，这些光电二极管元件被均匀地放置在一个圆弧周围，以检测半圆质量的位置。在两个相邻的光电二极管之间，我们使用一个离散的边缘检测器元件(即每个视界总共32个边缘检测器)来比较光电流大小，如果足够不同，则标记一个边缘检测信号。使用操作序列捕获输出。首先，使用上拉设备对寄生电容进行预充电来初始化地址总线。接下来,一个开车信号通过一维阵列传播，即，元素，直到遇到边缘信号。在检测到边缘条件时，通过地址编码器在地址总线上置于地址总线上，构成（对于每个元素）相关的下拉开关。随后，这是开车信号被终止，地址总线被采样到一个5位寄存器上。

图3

半平面地平仪电路原理图。倾斜检测器的每一边都使用这个水平检测器——由33个光电检测器元素和32个边缘检测器单元组成——顺序地询问，直到水平(即边缘)被检测到。然后将该地址断言到预充电的总线上以编码数字位置输出。将阴影区域重复，以形成32个元素的数组。

4.边缘检测电路

数字4显示边缘检测器元件的电路示意图。这一直来自Constandininou等。[9，10到预期的对比度和光电流水平。全局调优机制是通过驱动和引用片外和内部复制并分配到各个边缘检测器元件。这DRIVEIN和DRIVEOUT用于在传播之前测试单个边缘检测器状态以测试下一个元素。另外，在输出缓冲器内实现人工传播延迟以确保鲁棒性。

5.光电二极管设计

如图所示，光电二极管使用n-阱/p-衬底结实现5．不同的光电二极管元件(66个器件)已单独定制设计(以符合设计规则几何)，以适应550μ.m到600. μ.m半径5^°细分。每个光电二极管元件的有源传感器表面来到：4245 μ.米²．光电二极管通过将两个二极管连接的PMOS器件堆叠到Vdd来实现反向偏置。给定器件在预期光电平下的光电流范围从1pa(暗电流)到100na。光电二极管实现了光谱响应率为0.15 a /W, 0.25 a /W，和0.3 a /W的波长nm(蓝色),纳米(绿色)nm(红色)，在5μ.W /毫米²．

(一)

(b)

6.4相时钟产生电路

倾斜传感器的操作通过一个4相时钟序列集中调节，使用如图所示的电路产生6．这实现了循环4元件状态机以产生所需的控制信号。相位行动是：要给总线充电，询问LHS和RHS的视野，驾驶公共汽车，在Horizo n Register上抽样总线结果，和对输出寄存器上的差值(即减法)进行采样。

7.CMOS / MEMS集成电路

数字7和8分别显示CMOS和MEMS的显微照片。

MEMS部件已经设计成使得用于悬挂质量的枢轴/轴是光滑的并且具有很小的摩擦。此外，我们在半圆形质量中用特定模式饰有透明孔，该铸造铸造厂推荐，形成凸块，确保主表面积和侧壁之间存在足够的空间以避免静态[11]。此外，质量包括抗动物孔，以确保根据Tronics Foundry提供的技术数据进行释放。在制造过程中，设计包括多个支柱以在加工和释放期间固定质量。制造后，这些支柱被故意设计成可破裂，从而将半圆形物质释放到操作中。

8.仿真结果

该电路是使用Cadence Spectre (5.1.41isr1)模拟器与foundry提供的BSIM3v3模型进行模拟的。参数工作点仿真已经被执行，以确定边缘检测的各种偏差条件。这些结果如图所示9．曲线的家庭（对于不同的值）说明了最小对比度（)，以标记边缘检测条件。的不同值的可调性)表示为-axis变异。这些结果显示了运作的主要趋势：（i）可调谐范围不受偏置电流水平的显着实现，以及（ii），增加偏置电流水平显着增加可调范围（特别是延伸对比度）。因此设想，如果由于技术变化导致的任何组件错配除了由于技术变化引起的任何分量错配的情况下，则可以使用相对低的偏置电流水平（即，到10 na）。

顶级瞬态仿真说明了图中呈现的倾斜传感器的系统级操作10．该仿真假定平均光电流25na，环境上1 NA，并使用500 kHz的系统时钟。总功耗为33 μ.W.

图10

^° 用于-15的倾斜角度的顶级瞬态仿真．结果显示:(a) LHS水平总线(5位)，(b) LHS水平输出(5位)，(c) RHS水平总线(5位)，(d) RHS水平输出(5位)，(e)减法结果(6位)，(f)最终输出(6位)，(g)时钟，(h) - (k)（l）电流供应，和（m）集成电流供应。

通过遵循图中所示的瞬态仿真结果，可以轻松跟踪系统的功能10如下：（i）上升沿，这两个公共汽车是预充电的（）．(ii)在上升边缘，地平线探测器的结果被断言到公共汽车上(LHS和RHS的结果分别为9和14)。(iii)在上升边缘，总线上的值被采样到水平输出寄存器，最后，(iv)在上升边缘，(从异步加法器)减去的结果在输出寄存器上采样。

9.讨论

在这个p的范围内忽略了传感器的一个方面是光源。为了确保在黑暗和波动光照条件下的坚固性，预计传感器将包含一个专用光源。这可以是一个小面积、聚焦(即窄视野)的发光二极管(LED)来刺激视觉芯片内的光电探测器。然后可以将复合发射器/传感器封装(例如在光隔离器中)，以密封组件免受环境暴露。

假设一个典型的红色(GaAsP) LED正向偏压为2v，电流限制在1ma，发射极功耗为2mw。对于2mm²区域发射器，具有1 mm发射器/传感器分离，A 15^°光束发散度和5%的发光效率，等于28μ.W /毫米²CMOS表面上的入射光功率。因此，对于大约0.3a / w的光电二极管响应度（在 nm), and photodiode area of 4245 μ.米²，每个照明段中的产生的光电流将是36 na，孔隙在边缘检测器的操作范围内[9]。

为了尽量减少功耗，光源可以偏向于降低强度，因为光电探测器覆盖了很大的传感区域，因此非常高效。或者，传感器可以选择工作到占空比，即脉冲发射器与时钟同步，并选择只在所需的刷新率电源发射器。例如，如果只需要10hz的倾斜响应，则可以将传感器配置为单次采集，即每100毫秒运行4个时钟周期(使用10khz时钟400微秒)，从而减少99.6%的功耗。从根本上说，最小功耗仅受到:(i)光电二极管的暗电流、(ii)最小可检测对比度(用于可靠的边缘检测)和(iii)所需的感官响应时间的限制。

10.结论

在本文中，我们介绍了一种混合CMOS / MEMS倾斜度计，其使用光电探测器阵列来检测悬挂微系统的位置。利用均匀的径向定位光电二极管阵列，倾斜传感器达到5^°分辨率超过330^°的范围内。系统功耗高度依赖于入射光强度，但预计在10-35范围内μ.W.目标系统规格见表1．


互补金属氧化物半导体技术	AMS 0.35μ.m 2p4m cmos.
微机电系统技术	定速SOI /伤害
电源电压	3.3 V
电路规模	2500年μ.m×2500. μ.米
设备数	4312
输入光强(范围)	10 NW / mm²到100年μ.W /毫米²
输入系统时钟(范围)	100 Hz至1 MHz
输入电流偏置(范围)	1na ~ 50na
倾斜角度范围	330.^°(±165^°）
倾斜的决议	5^°
有效的动态范围	36db(6位)
系统功耗	^__10 - 35μ.W

^__不包括光发射器消耗。

承认

这项工作得到了塞浦路斯研究促进基金会(RPF) no。E-0505/07。

参考

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中国传感器杂志

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