ISSCC2025 | 采用超快唤醒时间和低功耗的先进MEMS陀螺仪设计
引言微机电系统(MEMS)陀螺仪已成为移动设备和可穿戴设备中不可或缺的组件，支持运动检测和室内导航功能。这些应用需要高效节能的操作以延长电池寿命，同时保持快速响应能力。这些系统设计的关键挑战是平衡待机电流消耗与唤醒时间。本文探讨了一种创新的三轴MEMS陀螺仪设计，该设计实现了令人印象深刻的2.8毫秒唤醒时间，同时在待机模式下仅消耗1.5微瓦功率。
1MEMS陀螺仪中的待机模式挑战现代移动和可穿戴设备需要事件驱动的操作模式以节省电力，同时保持对突发运动检测的准备就绪状态。在这些场景中，陀螺仪必须保持在待机(或悬挂)模式下，随时准备快速激活全功能以进行精确的运动感应。
关键挑战在于在这一待机期间最小化功耗，同时确保系统能够快速唤醒以进行准确的运动感应。之前使用脉冲模式锁相环(BPLL)技术的实现已经取得了显著成果，待机电流为737纳安，唤醒时间为5.45毫秒。但是，这些设计存在可靠性问题，特别是由于寄生松弛振荡(PRO)效应，尤其是在温度变化的情况下。图1：基于脉冲模式锁相环(BPLL)的待机MEMS陀螺仪系统，展示了传统架构和寄生松弛振荡(PRO)问题。 在传统的基于BPLL的驱动通道中，如图1所示，两个主要回路调节驱动电压(VDRV)。幅度调节回路(蓝色)由电容-电压转换器(C/V)、峰值检测线路、带隙基准源(BGR)、低功耗跟踪保持线路(T&H)和驱动缓冲器组成。频率调节回路(红色)包括C/V、比较器、BPLL和驱动缓冲器。
在正常运行模式下，两个回路都完全供电，确保通过精确的幅度控制和频率锁定到传感器的谐振频率来维持传感器的振荡，从而准确检测科里奥利信号。在待机模式下，这些回路以占空比方式运行，大多数耗电模块在大部分时间(TS)关闭，仅在短暂的校正时间(TC)内供电以调整驱动电压误差。
这种方法显著降低了平均电流消耗，通常减少100倍以上。然而，这也造成了一个权衡：缩短校正时间TC可以减少功耗，但增加了寄生松弛振荡(PRO)的风险，这可能导致谐振幅度不稳定和系统故障。 2占空比自动优化技术为了克服PRO问题，特别是在温度变化条件下，本研究引入了占空比自动优化(DAO)技术。这种创新方法基于对PRO条件的实时检测动态调整校正时间TC。图2：提出的具有占空比自动优化(DAO)的基于BPLL的待机MEMS陀螺仪系统，展示了具有动态优化组件的完整系统架构。 如图2所示，DAO实现包括一个动态电源门生成器，为驱动和感应通道生成电源门信号，一个DAO寄存器确定这些信号的占空比，以及一个PRO检测器监控系统条件以调整DAO寄存器。
操作遵循周期性优化过程。当待机模式启动时，系统开始下行优化过程，DAO寄存器持续减少校正时间TC，降低功耗。这一过程持续进行，直到TC降至最低阈值(TCMIN)以下并触发PRO。此时，PRO标志(FPRO)激活，系统切换到上行优化过程，逐渐增加TC以稳定系统。一旦PRO被消除，系统返回到下行优化。
这种交替的优化模式创造了一个动态平衡，在各种环境条件下保持系统稳定性。 3DAO模块的线路实现DAO模块的线路实现需要极低的功耗，同时为PRO检测保持可接受的精度。图3：DAO的关键线路实现，展示了低功耗PRO检测器及其工作原理。 如图3所示，几种设计创新使这些要求成为可能：
[*]首先，PRO检测器采用被动开关电容双采样微分器、动态窗口比较器和阈值电压生成器，功耗仅约50纳安。为防止开关活动引起的虚假检测，窗口比较器和微分器使用相对于DPG信号边缘延迟的时钟(Ф1、Ф2、Ф3和Ф4)操作。
[*]其次，跟踪保持线路输出的电压(VT&H)作为检测对象。这种方法减少了由电容不匹配、比较器输入晶体管不匹配和阈值电压生成器输出漂移引起的检测误差。由于等效驱动增益(AD)小，VT&H在PRO期间的大电压波动减轻了检测精度要求。
[*]第三，混合基准源生成器提供优化值在100毫伏和200毫伏之间的检测阈值电压|VH-VL|。低于100毫伏，由于虚假检测，PRO标志误触发增加，增加功耗。高于200毫伏，PRO检测变得延迟，可能允许PRO失控和谐振幅度控制暂时故障，显著降低唤醒时间性能。
4性能测量和结果该MEMS陀螺仪系统的实现采用0.18微米BCD工艺，有源芯片面积为3.84平方毫米。图4：显示带有DAO的待机操作的测量瞬态响应，展示了系统在热冲击和唤醒过程中的行为。 图4展示了系统在待机操作期间对热冲击的响应。在T0=14秒时，陀螺仪在2秒内经历了从25°C到55°C的温度阶跃，由于PRO导致驱动电压幅度(VT&H)显著下降200毫伏。在T1=15秒时，PRO检测器激活上行优化过程，将TC从6.25毫秒增加到100毫秒以稳定系统，暂时将电流消耗从0.8微安增加到8微安。一旦在T2=17秒稳定，下行优化过程恢复，逐渐减少功耗。
图4底部显示的唤醒过程展示了系统在T3=30秒从待机模式到正常运行的快速转换。通过T&H和C/V线路的输出电压观察，唤醒时间测量为2.8毫秒，具有99%的稳定精度。图5：来自34个样品的噪声性能、功耗和唤醒时间对温度变化的测量结果，显示了系统在温度范围内的稳定性。 图5展示了系统在温度变化下的性能。在-40到85°C的温度范围内，唤醒时间变化保持在±5%以内，显著提高了系统可靠性。在正常运行下，陀螺仪实现了9°/小时的偏置不稳定性和0.006°/秒/√Hz的平均噪声底。 5与最先进技术的比较
图6：与最先进技术的比较，突出了所呈现设计相对于以前实现的优势。 如图6所示，这项工作代表了相对于以前实现的重大进步。与早期设计相比，该三轴系统将唤醒时间减少了1.9倍，同时保持847纳安的待机电流。最值得注意的是，占空比自动优化技术解决了温度变化引起的稳定性问题，确保了在宽温度范围内±5%的唤醒时间稳定性。 6结论所呈现的具有占空比自动优化的三轴MEMS陀螺仪为移动和可穿戴设备中高效节能的持续运动感应提供了一个引人注目的解决方案。通过基于实时PRO检测动态调整校正时间，系统在功耗和唤醒时间之间达到最佳平衡，同时在不同温度条件下保持稳定性。这一进步使事件驱动应用能够获得更快速响应和可靠的运动检测，同时延长电池寿命。 图7：接口集成电路的显微照片，展示了所述系统的物理实现。 这一实现表明，创新的线路技术可以有效解决MEMS传感器系统中的基本权衡，指向未来超低功耗、随时准备的传感器技术的发展，这将继续增强移动和可穿戴设备的功能。
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