基于Verilog-A的电容式MEMS加速度计模型

　　MEMS 电容式加速度计具有分辨率高、动态范围大、温度特性好等优点, 在惯性导航、空间微重力测量及高精度勘探等等方面有着广泛的应用。采用体微机械加工技术和硅/ 硅键合技术可以实现高性能的电容式加速度计[ 1] 。

　　然而电容式传感器的接口电路通常比较复杂,需要专门的电容电压转换电路, 将传感器输出的电容变化信号转换为电压变化信号。因此, 需要建立适当的模型, 与接口电路实现整体仿真, 从而对传感器及接口电路的性能进行优化。此外, 还可以利用电容式传感器固有的静电力实现闭环反馈控制。总而言之, 电容式传感器模型的建立, 对微系统整体设计具有十分重要的意义。

　　MEMS 电容式加速度计模型, 总的来说可以分成两部分: 描述加速度计动力学特性的弹簧-质量块模型和反映敏感电容随质量块位移变化关系的敏感电容模型。

　　对于弹簧-质量块模型通常采用行为描述的方法建立, 即不考虑传感器工作的具体物理过程, 仅将模块输入输出之间的变化关系抽象描述出来, 常用Matlab Simulink 软件[ 3] 实现。另一种方法是借助现有的EDA 仿真工具, 利用电学模型和动力学模型二阶微分方程的相似性进行等效[ 4] 。第二种方法可以实现与接口电路的混合仿真, 因此在以往的传感器电路设计中经常被采用。

　　调用PSPICE 软件中的行为描述模块可以实现压控敏感电容模型[ 5] ; 也可以直接调用PSPICE 中可变导纳( YX 子电路) 的模型[ 3] 来实现。但是这些方法都依赖于某种特定软件, 不具有通用性。

　　正如前面所论述的, 如果选用合适的电路仿真工具, 例如PSPICE 或者APLA C[ 4] , 可以很容易地实现MEMS 电容式加速度计与PCB 接口电路的整体仿真。但是由于接口电路容易受到PCB 电路板上分布电容的影响, 随着CMOS 集成电路技术的迅猛发展, 单片集成的微弱电容检测电路成为发展方向[ 2] , 原有的电容式加速度计模型向集成电路设计环境移植十分麻烦, 因此, 有必要寻找一个通用的、易于移植的建模方法。

　　全硅三明治结构高对称电容式加速度计, 具有低噪声、高灵敏度、宽动态范围等特点[ 1] 。但是由于采用了全硅结构, 传感器敏感电极之间存在非常大的寄生电容, 远大于静态敏感电容, 而以往的加速度计模型都没有将寄生电容对电路的影响考虑进去。另外以往的加速度计模型, 也没有考虑热机械噪声的影响, 更无法对噪声特性进行定量评估。因此必须对传统的MEMS 加速度计模型进行改进, 建立一个与主流的集成电路设计流程相兼容、精确可靠的加速度计模型。

　　1 Verilog-A描述的MEMS加速度计模型