Progetto di circuiti integrati dedicati per dispositivi MEMS

L’oggetto di questa tesi è la descrizione di due interfacce elettroniche di lettura per due diversi tipi di sensori integrati. Nella prima parte della tesi è descritto un circuito di lettura per accelerometri triassiali integrati di tipo capacitivo. Il circuito implementa uno schema di lettura innovativo che, grazie anche alla semplicità circuitale, consente di ottenere un consumo totale di potenza notevolmente più piccolo rispetto alle interfacce che utilizzano schemi di lettura tradizionali. Un consumo totale di circa 175 μW alla tensione di lavoro nominale di 2,5 V è stato ottenuto per l’intera interfaccia di lettura. Bisogna ricordare che il segnale proveniente dall’accelerometro (come nella maggior parte dei sensori integrati) ha ampiezza molto piccola, oltre che banda ristretta. Per questo motivo l’interfaccia di lettura, così come gli schemi di lettura tradizionali, implementa la tecnica di CDS (Correlated Double Sampling) per la riduzione del rumore a bassa frequenza. In questo modo un valore di accelerazione equivalente di rumore pari a circa 14 m g è stato ottenuto, su una banda del sistema di 130 Hz. Nella seconda parte è descritta un’interfaccia elettronica di lettura per sensori termici di tipo resistivo, utilizzati nel sistema di controllo di un micromotore. L’applicazione richiede una risoluzione sulla posizione inferiore ai 2 nm, che, sulla banda di 5 kHz, strettamente necessaria per il buon funzionamento del loop di controllo, equivale, per la sola elettronica di lettura, ad una densità spettrale di rumore equivalente in ingresso inferiore a 7 nV/sqrt(Hz). Per ottenere valori così piccoli di rumore è stata utilizzata la tecnica di Chopper Modulation con filtro passabanda, per cui l’interfaccia di lettura è composta da un blocco di modulazione e uno di demodulazione, da un filtro passabanda e da un circuito di aggancio della frequenza del filtro basato sul principio di funzionamento del PLL. Una densità spettrale di potenza di rumore equivalente in ingresso pari a circa 6 nV/sqrt(Hz) è stata ottenuta per l’interfaccia elettronica di lettura.