A MEMS Coriolis-Based Mass-Flow-to-Digital Converter for Low Flow Rate Sensing

符号 电容器 数学 算法 拓扑(电路) 电气工程 工程类 算术 组合数学 电压
作者
Arthur Campos de Oliveira,Sining Pan,Remco J. Wiegerink,Kofi A. A. Makinwa
出处
期刊:IEEE Journal of Solid-state Circuits [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:57 (12): 3681-3692 被引量:6
标识
DOI:10.1109/jssc.2022.3210003
摘要

This article presents a microelectromechanical system (MEMS) Coriolis-based mass-flow-to-digital converter ( $\Phi $ DC) that can be used with both liquids and gases. It consists of a micromachined Coriolis mass flow sensor and a CMOS interface circuit that drives it into oscillation and digitizes the resulting mass flow information. A phase-locked loop (PLL) drives the sensor at its resonance frequency ( $f_{D}$ ), while a low 1/ $f$ noise switched-capacitor (SC) proportional–integral (PI) controller maintains a constant drive amplitude. Mass flow through the sensor causes Coriolis-force-induced displacements, which are detected by co-integrated sense capacitors. In-phase ( ${I}$ ) and quadrature ( ${Q}$ ) components of these displacements are then digitized by two continuous-time delta–sigma modulators (CT- $\Delta \Sigma $ Ms) with finite impulse response (FIR)-DACs and passive mixers. Their outputs are used to accurately estimate and cancel sense path delay, thus improving sensor stability. To ensure constant sensitivity over a wide range of fluid densities, a background sensitivity tuning (BST) scheme adjusts the sense capacitors' bias voltage as a function of $f_{D}$ , which is a good proxy for fluid density. Implemented in a standard 0.18- $\mu \text{m}$ CMOS technology, the interface circuit consumes 13 mW from a 1.8-V supply. The proposed MEMS Coriolis $\Phi $ DC achieves a state-of-the-art noise floor of 80 $\mu \text{g}$ /h/ $\sqrt {\text {Hz}}$ and a zero stability (ZS) of ±0.31 mg/h, which is at par with MEMS thermal flow sensors.
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