TKK Dissertations 116 Espoo 2008 SYSTEM AND CIRCUIT DESIGN FOR A CAPACITIVE MEMS GYROSCOPE Doctoral Dissertation Mikko Saukoski Helsinki University of Technology Faculty of Electronics, Communications and Automation Department of Micro and Nanosciences TKK Dissertations 116 Espoo 2008 SYSTEM AND CIRCUIT DESIGN FOR A CAPACITIVE MEMS GYROSCOPE Doctoral Dissertation Mikko Saukoski Dissertation for the degree of Doctor of Science in Technology to be presented with due permission of the Faculty of Electronics, Communications and Automation for public examination and debate in Auditorium S1 at Helsinki University of Technology (Espoo, Finland) on the 18th of April, 2008, at 12 noon. Helsinki University of Technology Faculty of Electronics, Communications and Automation Department of Micro and Nanosciences Teknillinen korkeakoulu Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta Mikro- ja nanotekniikan laitos Distribution: Helsinki University of Technology Faculty of Electronics, Communications and Automation Department of Micro and Nanosciences P.O. Box 3000 FI - 02015 TKK FINLAND URL: http://www.ecdl.tkk.fi/ Tel. +358-9-451 2271 Fax +358-9-451 2269 E-mail: [email protected] © 2008 Mikko Saukoski ISBN 978-951-22-9296-7 ISBN 978-951-22-9297-4 (PDF) ISSN 1795-2239 ISSN 1795-4584 (PDF) URL: http://lib.tkk.fi/Diss/2008/isbn9789512292974/ TKK-DISS-2454 Multiprint Oy Espoo 2008 AB ABSTRACT OF DOCTORAL DISSERTATION HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY P. O. BOX 1000, FI-02015 TKK http://www.tkk.fi/ Author Mikko Saukoski Name of the dissertation System and Circuit Design for a Capacitive MEMS Gyroscope Manuscriptsubmitted November17,2007 Manuscriptrevised March 3, 2008 Dateofthedefence April18,2008 X Monograph Article dissertation (summary + original articles) Faculty Faculty of Electronics, Communications and Automation Department Department of Micro and Nanosciences Field of research Electronic Circuit Design Opponent(s) Professor Robert Puers Supervisor Professor Kari Halonen Instructor – Abstract In this thesis, issues related to the design and implementation of a micro-electro-mechanical angular velocity sensor are studied. The work focuses on a system based on a vibratory microgyroscope which operates in the low-pass mode with a moderate resonance gain and with an open-loop configuration of the secondary (sense) resonator. Both the primary (drive) and the secondary resonators are assumed to have a high quality factor. Furthermore, the gyroscope employs electrostatic excitation and capacitive detection. The system design part of the thesis concentrates on selected aspects of the system-level design of a micro-electro- mechanical angular velocity sensor. In this part, a detailed analysis is provided of issues related to different non- idealities in the synchronous demodulation, the dynamics of the primary resonator excitation, the compensation of the mechanical quadrature signal, and the zero-rate output. The circuit design part concentrates on the design and implementation of the integrated electronics required by the angular velocity sensor. The focus is primarily on the design of the sensor readout circuitry, comprising: a continuous- time front-end performing the capacitance-to-voltage (C/V) conversion, filtering, and signal level normalization; a bandpass Σ∆ analog-to-digital converter, and the required digital signal processing (DSP). The other fundamental circuit blocks are introduced on a more general level. Additionally, alternative ways to perform the C/V conversion are studied. In the experimental work done for the thesis, a prototype of a micro-electro-mechanical angular velocity sensor is implemented and characterized. The analog parts of the system are implemented with a 0.7-µm high-voltage CMOS (Complimentary Metal-Oxide-Semiconductor) technology. The DSP part is realized with a field-programmable gate array (FPGA) chip. The 100 ◦/s gyroscope achieves 0.042 ◦/s/√Hz spot noise and a signal-to-noise ratio of 51.6 dB over the 40Hz bandwidth,± with a 100 ◦/s input signal. The system demonstrates the use of Σ∆ modulation in both the primary resonator excitation and the quadrature compensation. Additionally, it demonstrates phase error compensation performed using DSP. Keywords capacitive sensors, gyroscopes, integrated circuits, micro-electro-mechanical systems (MEMS) ISBN (printed) 978-951-22-9296-7 ISSN(printed) 1795-2239 ISBN(pdf) 978-951-22-9297-4 ISSN(pdf) 1795-4584 Language English Numberofpages 271 Publisher Helsinki University of Technology, Faculty of Electronics, Communications and Automation Print distribution Helsinki University of Technology, Department of Micro and Nanosciences X The dissertation can be read at http://lib.tkk.fi/Diss/2008/isbn9789512292974/ AB VÄITÖSKIRJAN TIIVISTELMÄ TEKNILLINEN KORKEAKOULU PL 1000, 02015 TKK http://www.tkk.fi/ Tekijä Mikko Saukoski Väitöskirjan nimi Kapasitiivisen mikromekaanisen kulmanopeusanturin järjestelmä- ja piiritason suunnittelu Käsikirjoituksenpäivämäärä 17.11.2007 Korjatunkäsikirjoituksen päivämäärä 3.3.2008 Väitöstilaisuuden ajankohta 18.4.2008 X Monografia Yhdistelmäväitöskirja (yhteenveto + erillisartikkelit) Tiedekunta Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta Laitos Mikro- ja nanotekniikan laitos Tutkimusala Piiritekniikka Vastaväittäjä(t) Professori Robert Puers Työn valvoja Professori Kari Halonen Työn ohjaaja – Tiivistelmä Väitöskirjassa tutkitaan mikromekaanisen kulmanopeusanturin suunnittelua ja toteutusta. Työssä keskitytään järjestelmään, joka pohjautuu värähtelevään kulmanopeusanturielementtiin. Elementti toimii alipäästömuotoisesti ja sen resonanssivahvistus on keskisuuri. Kulmanopeussignaalin havaitsemiseen käytetty toisio- eli sekundääri- resonaattori toimii avoimessa silmukassa. Sekä ensiö- eli primääriresonaattorin että toisioresonaattorin hyvyysluvut oletetaan suuriksi. Ensiöresonaattorin liike herätetään sähköstaattisesti, ja signaalien ilmaisu on kapasitiivinen. Järjestelmätason suunnittelua käsittelevässä osassa tutkitaan aluksi, kuinka erilaiset epäideaalisuudet vaikuttavat anturielementiltä saatavien signaalien synkroniseen alassekoitukseen. Tämän jälkeen esitetään analyysi ensiö- resonaattorin herätyksen dynaamisesta käyttäytymisestä, mekaanisen kvadratuurisignaalin kompensoinnista sekä kulmanopeusanturin nollapistesignaalista. Piirisuunnittelua käsittelevässä osassa keskitytään kulmanopeusanturin vaatiman integroidun elektroniikan suunnit- teluun ja toteutukseen. Tässä osassa pääpaino on anturin signaalien ilmaisuun käytettävissä piirilohkoissa, jotka esitellään yksityiskohtaisesti. Näistä piirilohkoista ensimmäinen on jatkuva-aikainen etuaste, joka muuntaa kapasi- tanssimuotoiset signaalit jännitemuotoisiksi, suodattaa ne halutulle kaistanleveydelle, ja normalisoi niiden tasot. Muut ilmaisun vaatimat piirilohkot ovat kaistanpäästö-Σ∆-tyyppinen analogia-digitaalimuunnin sekä sen jälkeen tarvittava digitaalinen signaalinkäsittely. Muut piirilohkot käsitellään yleisemmällä tasolla. Lisäksi tässä osassa tutustutaan erilaisiin tapoihin suorittaa kapasitanssi-jännitemuunnos. Työn kokeellisessa osassa toteutetun kulmanopeusanturiprototyypin analogiaosat valmistettiin 0,7 µm:n CMOS- puolijohdeprosessilla. Digitaalinen signaalinkäsittelyosa toteutettiin ohjelmoitavalla logiikkapiirillä. Anturiproto- tyyppi suunniteltiin 100 ◦/s:n kulmanopeusalueelle. Se saavuttaa 0,042 ◦/s/√Hz:n kohinatiheyden ja 51,6 dB:n signaali-kohinasuhteen± 40Hz:n kaistanleveydellä, kun tulosignaalin suuruus on 100 ◦/s. Prototyypin avulla on osoitettu, kuinka Σ∆-modulaatiota voidaan käyttää sekä ensiöresonaattorin herätyksessä että mekaanisen kvadratuurisignaalin kompensoinnissa. Lisäksi prototyypillä on toteutettu digitaalinen vaihevirheiden korjaus. Asiasanat integroidut piirit, kapasitiiviset anturit, kulmanopeusanturit, mikroelektromekaaniset järjestelmät ISBN (painettu) 978-951-22-9296-7 ISSN(painettu) 1795-2239 ISBN(pdf) 978-951-22-9297-4 ISSN(pdf) 1795-4584 Kieli Englanti Sivumäärä 271 Julkaisija Teknillinen korkeakoulu, Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta Painetun väitöskirjan jakelu Teknillinen korkeakoulu, Mikro- ja nanotekniikan laitos X Luettavissa verkossa osoitteessa http://lib.tkk.fi/Diss/2008/isbn9789512292974/ Abstract In this thesis, issues related to the design and implementation of a micro-electro- mechanical angular velocity sensor are studied. The work focuses on a system based on a vibratory microgyroscope which operates in the low-pass mode with a moderate resonance gain and with an open-loop configuration of the secondary (sense) resonator. Both the primary (drive) and the secondary resonators are assumed to have a high qual- ity factor. Furthermore, the gyroscope employs electrostatic excitation and capacitive detection. The thesis is divided into three parts. The first part provides the background infor- mation necessary for the other two parts. The basic properties of a vibratory micro- gyroscope, together with the most fundamental non-idealities, are described, a short introduction to various manufacturing technologies is given, and a brief review of pub- lished microgyroscopes and of commercial microgyroscopes is provided. The second part concentrates on selected aspects of the system-level design of a micro-electro-mechanical angular velocity sensor. In this part, a detailed analysis is provided of issues related to different non-idealities in the synchronous demodulation, the dynamics of the primary resonator excitation, the compensation of the mechanical quadrature signal, and the zero-rate output. The