MEMS陀螺仪的设计

MEMS陀螺仪是一类重要的惯性传感器,广泛应用于各种消费设备,包括智能手机、相机和导航系统。陀螺仪在汽车上的应用非常广泛,对可靠性要求很高。此外,工业和国防市场要求高水平的精度,这从根本上影响陀螺仪的设计参数。

MEMS陀螺仪设计的挑战

从概念设计,到优化和性能增强,b0b体育投注 可以模拟与成功的MEMS陀螺仪设计相关的广泛关键问题。这些包括:

  • 概念研究证明,探索不同的设备配置,模态频率和驱动/传感物理(静电/压电)
  • 静电模式软化,调整和匹配驱动和传感模式
  • 拉片和滞后
  • 灵敏度,带宽,线性加速度效应
  • 正交,由于悬挂侧壁角度和梳状悬浮力
  • 静电补偿电极,降低求积
  • 过载触点止动器设计,提高抗冲击性能和可靠性
  • 气体阻尼、热弹性阻尼和锚损,预测Q因子
  • 对温度的响应,包括包装变形的影响
  • 磁道、焊盘和封装的寄生电容
MEMS陀螺仪设计实例:在CoventorMP的MEMS+模块中建模的Murata三轴陀螺仪,其静态电容和x轴感知模式偏移随x轴感知偏差变化的叠加测量和模拟数据[1,2]

MEMS陀螺仪设计实例:在CoventorMP的MEMS+模块中建模的Murata三轴陀螺仪,其静态电容和x轴感知模式偏移随x轴感知偏差变化的叠加测量和模拟数据[1,2]

用于电路和系统模拟器联合仿真的rom

读数电路和系统建立在陀螺仪有自己的设计周期,通常有一个陀螺仪模型包括。为了满足这一需求,b0b体育投注 生成多物理rom(降阶模型),捕获陀螺仪的惯性非线性。这些模型是自动生成的,不需要手动构建过程,这可能需要多次迭代和数周的设计工作。多物理rom为速度进行了优化,允许快速设计迭代。b0b体育投注 模型以VerilogA格式提供,或者作为s函数与Mathworks SIMULINK一起运行®

电路和系统级设计- MEMS陀螺仪:Cadence Virtuoso®原理图,自动生成ROM并导出Verilog-A格式。陀螺仪符号上的端口代表:传感电极(上),驱动电极和角速度输入(左)和可选电容输出(右)。上面的瞬态仿真图显示了驱动导频信号。下图显示了微分y轴传感电容对y轴速率的响应和对x轴速率的交叉轴灵敏度[1,2]

电路和系统级设计- MEMS陀螺仪:Cadence Virtuoso®原理图,自动生成ROM并导出Verilog-A格式。陀螺仪符号上的端口代表:传感电极(上),驱动电极和角速度输入(左)和可选电容输出(右)。上面的瞬态仿真图显示了驱动导频信号。下图显示了微分y轴传感电容对y轴速率的响应和对x轴速率的交叉轴灵敏度[1,2]

包装诱导性能表征

对于任何MEMS器件来说,一个重要的考虑是热稳定性和器件对其封装变形的稳稳性。陀螺仪也不例外。b0b体育投注 允许包模型容易耦合到陀螺仪模型。然后可以完成参数分析,以确定陀螺仪在温度下的响应,允许设计师产生速率偏移的预测模型。导出的rom中也包含了封装诱导的性能。

(a) FEA模面封装中的MEMS+陀螺仪模型封装& (b)由于温度变形的晶圆片级封装导致的x轴传感电容偏移,测量值vs模拟[3]

(a) FEA模面封装中的MEMS+陀螺仪模型封装& (b)由于温度变形的晶圆片级封装导致的x轴传感电容偏移,测量值vs模拟[3]

b0b体育投注 使设计者能够模拟MEMS陀螺仪的关键问题,从模式频率设计到静电弹簧软化、侧壁角引起的求积误差以及与封装的联合仿真。自动ROM导出允许用户立即生成可移植的、快速的、用于电路和系统设计环境的模型,包括Verilog-A格式和Mathworks SIMULINK®

引用:

  1. 一种生成MEMS陀螺仪非线性Verilog A模型的模型降阶方法1阿尔诺·Krust1, Gunar洛伦兹1和托米·皮拉伊宁(Tommi Piirainen)2 1Coventor sarl)。、法国和2Murata Electronics Oy,芬兰,IEEE国际研讨会惯性传感器与系统2015。
  2. 利用一种新的模型降阶方法生成MEMS陀螺仪的高效非线性simulink模型1阿尔诺·Krust1, Gunar洛伦兹1,即Favorskiy1和Tommi Piirainen2 1Coventor sarl)。、法国和2Murata Electronics Oy,芬兰,变频器2015。
  3. 模具级封装三轴MEMS陀螺仪性能的热-力学模拟,Arnaud Parent1威尔汉姆(C. J. Welham)1, t . Piirainen2Blomqvist2Coventor sarl)。、法国和2Murata Electronics Oy,芬兰,DGON惯性传感器与系统(ISS), 2017。
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