專利名稱：采用斬波技術(shù)的mems微加速度計閉環(huán)驅(qū)動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種閉環(huán)驅(qū)動電路，尤其是一種采用斬波技術(shù)的MEMS微加速度計閉環(huán)驅(qū)動電路，屬于MEMS技術(shù)與CMOS技術(shù)融合設(shè)計的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)技術(shù)是當(dāng)今 IC 行業(yè)發(fā)展的一大熱點領(lǐng)域，其中以微加速度計為代表的器件已經(jīng)在多方面得到應(yīng)用，但是傳統(tǒng)的MEMS技術(shù)仍然面對諸多技術(shù)難題，其中以信號微弱、無法與CMOS工藝兼容和諧振頻率的偏移等技術(shù)成為現(xiàn)在發(fā)展的主要限制因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種采用斬波技術(shù)的MEMS微加速度計閉環(huán)驅(qū)動電路，其結(jié)構(gòu)緊湊，將MEMS微加速度計與CMOS讀出電路融合設(shè)計，能將MEMS微加速度計的信號讀出放大，降低讀出電路的噪聲失調(diào)，且能驅(qū)動MEMS微加速度計，
安全可靠。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述采用斬波技術(shù)的MEMS微加速計閉環(huán)驅(qū)動電路，包括MEMS微加速度計電路；所述MEMS微加速計電路的輸出端與CMOS讀出電路連接，所述CMOS讀出電路通過反饋驅(qū)動電路與MEMS微加速度計電路的驅(qū)動端連接，以提供MEMS微加速度計電路的驅(qū)動電壓；
所述CMOS讀出電路包括用于接收MEMS微加速計電路輸出信號的調(diào)制器，所述調(diào)制器的輸出端與放大器連接，所述放大器的輸出端與帶通濾波器連接，所述帶通濾波器的輸出端與解調(diào)器連接，所述解調(diào)器的輸出端與低通濾波器連接；
調(diào)制器將MEMS微加速度計電路的輸出信號頻率調(diào)制到高頻，所述高頻信號由放大器進行放大，帶通濾波器對放大后的高頻信號削弱信號頻率范圍外的信號，解調(diào)器將帶通濾波器處理后的高頻信號調(diào)制回低頻信號，低通濾波器對低頻信號進行噪聲和失調(diào)濾除，反饋驅(qū)動電路根據(jù)低通濾波器的輸出信號自動調(diào)節(jié)驅(qū)動MEMS微加速度計電路的驅(qū)動電壓，以使得MEMS微加速度計電路自適應(yīng)工作于諧振頻率處。所述反饋驅(qū)動電路采用CMOS工藝制造，反饋驅(qū)動電路包括自動增益控制單元。所述CMOS讀出電路中的調(diào)制器、放大器、帶通濾波器、解調(diào)器及低通濾波器為單端輸入單端輸出結(jié)構(gòu)或雙端輸入雙端輸出的全差分結(jié)構(gòu)。所述自動增益控制單元包括可變增益運算放大器及峰值檢測電路，所述可變增益運算放大器的輸入端及峰值檢測電路的輸入端分別與低通濾波器的低通濾波器第一輸出端及低通濾波器第二輸出端連接，峰值檢測電路的輸出端與可變增益運算放大器的控制端連接，可變增益運算放大器的輸出端與MEMS微加速度計電路的驅(qū)動端電連接。所述調(diào)制器及解調(diào)器匹配連接，調(diào)制器及解調(diào)器包括第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)及第四開關(guān)，第一開關(guān)的第一端與第三開關(guān)的第一端連接，第一開關(guān)的第二端與第二開關(guān)的第一端連接，第二開關(guān)的第二端與第四開關(guān)的第一端連接，第四開關(guān)的第二端與第三開關(guān)的第二端連接；其中，第一開關(guān)的第一端、第二端為調(diào)制器及解調(diào)器的負端，第四開關(guān)的第一端、第二端為調(diào)制器及解調(diào)器的正端；第一開關(guān)與第四開關(guān)的控制端受第一時鐘控制，第二開關(guān)與第三開關(guān)的控制端受第二時鐘控制，所述第一時鐘為第二時鐘的反相時鐘。所述第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)及第四開關(guān)為NMOS管或PMOS管。所述調(diào)制器或解調(diào)器采用連續(xù)時間不帶開關(guān)的模擬乘法器。所述帶通濾波器、低通濾波器為RC濾波器或gm-c濾波器。所述MEMS微加速計電路中MEMS微加速度計采用單質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)或雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)。所述MEMS微加速計采用單質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)時，MEMS微加速度計包括第一質(zhì)量塊及與所述第一質(zhì)量塊匹配連接的第二錨點及第三錨點，所述第二錨點及第三錨點為MEMS微加速度計的輸出端，第一質(zhì)量塊為MEMS微加速度計的驅(qū)動端；
所述MEMS微加速計采用雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)時，MEMS微加速度計包括第一錨點、第六錨點、第四錨點及第五錨點，所述第一錨點、第六錨點間的第二質(zhì)量塊與第四錨點、第五錨點間的第三質(zhì)量塊通過連接體連接，第一錨點及第六錨點為MEMS微加速計的驅(qū)動端，第四錨點及第五錨點為MEMS微加速度計的輸出端。本發(fā)明的優(yōu)點:可以降低電路電學(xué)噪聲和失調(diào)，同時放大MEMS傳感器信號，以及為MEMS微加速度計提供了驅(qū)動電路，整體電路具有自適應(yīng)特性，不需要外接電路對MEMS加速度計進行驅(qū)動。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明自動增益控制單元的電路原理圖。圖3為本發(fā)明調(diào)制器與解調(diào)器的電路原理圖。圖4為本發(fā)明MEMS微加速計采用單質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明MEMS微加速度計采用雙質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說明:101-MEMS微加速度計、102-調(diào)制器、103-放大器、104-帶通濾波器、105-解調(diào)器、106-低通濾波器、107-自動增益控制單元、108-低通濾波器第一輸出端、109-低通濾波器第二輸出端、110-驅(qū)動端、111-可變增益運算放大器、112-峰值檢測電路、113-第一開關(guān)、114-第二開關(guān)、115-第三開關(guān)、116-第四開關(guān)、117-第一輸出端、118-第二輸出端、119-第一錨點、120-第二錨點、121-第三錨點、122-第四錨點、123-第五錨點、124-第六錨點、125-連接體、126-第一質(zhì)量塊、127-第一反饋驅(qū)動輸出端及128-第二反饋驅(qū)動輸出端。
具體實施例方式下面結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖1所示:為了能夠使得MEMS傳感器與CMOS電路兼容，以讀取MEMS傳感器的輸出信號，并降低噪聲失調(diào)，本發(fā)明包括MEMS微加速度計電路；所述MEMS微加速計電路的輸出端與CMOS讀出電路連接，所述CMOS讀出電路通過反饋驅(qū)動電路與MEMS微加速度計電路的驅(qū)動端連接，以提供MEMS微加速度計電路的驅(qū)動電壓； 所述CMOS讀出電路包括用于接收MEMS微加速計電路輸出信號的調(diào)制器102，所述調(diào)制器102的輸出端與放大器103連接，所述放大器103的輸出端與帶通濾波器104連接，所述帶通濾波器104的輸出端與解調(diào)器105連接，所述解調(diào)器105的輸出端與低通濾波器106連接；
調(diào)制器102將MEMS微加速度計電路的輸出信號頻率調(diào)制到高頻，所述高頻信號由放大器103進行放大，帶通濾波器104對放大后的高頻信號削弱信號頻率范圍外的信號，解調(diào)器105將帶通濾波器104處理后的高頻信號調(diào)制回低頻信號，低通濾波器106對低頻信號進行噪聲和失調(diào)濾除，反饋驅(qū)動電路根據(jù)低通濾波器106的輸出信號自動調(diào)節(jié)驅(qū)動MEMS微加速度計電路的驅(qū)動電壓，以使得MEMS微加速度計電路自適應(yīng)工作于諧振頻率處。具體地，MEMS微加速度計電路采用電橋方式產(chǎn)生交流信號，反饋驅(qū)動電路同樣是采用CMOS工藝制造。本發(fā)明MEMS微加速度計電路、CMOS讀出電路及反饋驅(qū)動電路的融合設(shè)計包括單片集成方式或系統(tǒng)級封裝方式。所述CMOS讀出電路中的調(diào)制器102、放大器103、帶通濾波器104、解調(diào)器105及低通濾波器106為單端輸入單端輸出結(jié)構(gòu)或雙端輸入雙端輸出的全差分結(jié)構(gòu)。所述帶通濾波器104、低通濾波器106為RC濾波器或gm-c濾波器。如圖1和圖2所示:反饋驅(qū)動電路包括自動增益控制單元107,所述自動增益控制單元107包括可變增益運算放大器111及峰值檢測電路112，所述可變增益運算放大器111的輸入端及峰值檢測電路112的輸入端分別與低通濾波器106的低通濾波器第一輸出端108及低通濾波器第二輸出端109連接，峰值檢測電路112的輸出端與可變增益運算放大器111的控制端連接，可變增益運算放大器111的輸出端與MEMS微加速度計電路的驅(qū)動端110電連接。如圖3所示:所述調(diào)制器102及解調(diào)器105匹配連接，調(diào)制器102及解調(diào)器105包括第一開關(guān)113、第二開關(guān)114、第三開關(guān)115及第四開關(guān)116，第一開關(guān)113的第一端與第三開關(guān)115的第一端連接，第一開關(guān)113的第二端與第二開關(guān)114的第一端連接，第二開關(guān)114的第二端與第四開關(guān)116的第一端連接，第四開關(guān)116的第二端與第三開關(guān)115的第二端連接；其中，第一開關(guān)113的第一端、第二端為調(diào)制器102及解調(diào)器105的負端，第四開關(guān)116的第一端、第二端為調(diào)制器102及解調(diào)器105的正端；第一開關(guān)113與第四開關(guān)116的控制端受第一時鐘控制，第二開關(guān)114與第三開關(guān)115的控制端受第二時鐘控制，所述第一時鐘為第二時鐘的反相時鐘。其中，所述第一開關(guān)113、第二開關(guān)114、第三開關(guān)115及第四開關(guān)116為NMOS管或PMOS管。另外，所述調(diào)制器102或解調(diào)器105還可以采用連續(xù)時間不帶開關(guān)的模擬乘法器。如圖4和圖5所示:所述MEMS微加速計電路中MEMS微加速度計101采用單質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)或雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)。如圖4所示:所述MEMS微加速計101采用單質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)時，MEMS微加速度計101包括第一質(zhì)量塊126及與所述第一質(zhì)量塊126匹配連接的第二錨點120及第三錨點121，所述第二錨點120及第三錨點121為MEMS微加速度計101的輸出端，第一質(zhì)量塊126為MEMS微加速度計101的驅(qū)動端；
所述MEMS微加速計101采用雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)時，MEMS微加速度計101包括第一錨點119、第六錨點124、第四錨點122及第五錨點123，所述第一錨點119、第六錨點124間的第二質(zhì)量塊與第四錨點122、第五錨點123間的第三質(zhì)量塊通過連接體125連接，第一錨點119及第六錨點124為MEMS微加速計101的驅(qū)動端，第四錨點122及第五錨點123為MEMS微加速度計101的輸出端。當(dāng)MEMS微加速度計101采用雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)時，自動增益控制單元107具有第一反饋驅(qū)動輸出端127及第二反饋驅(qū)動輸出端128，所述第一反饋驅(qū)動輸出端127及第二反饋驅(qū)動輸出端128與MEMS微加速度計電路的驅(qū)動端110對應(yīng)連接。本發(fā)明實施例中，MEMS微加速度計101的單質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)或雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)均與現(xiàn)有的MEMS微加速度計101的結(jié)構(gòu)相同，利用插指結(jié)構(gòu)的特性可以產(chǎn)生差分變化的電容量，通過電容的變量進一步轉(zhuǎn)化成電壓變化，從而傳輸給下一級CMOS讀出電路進行讀取。本發(fā)明實施示出了自動增益控制單元107與MEMS微加速度計電路的匹配連接結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中CMOS讀出電路采用CMOS工藝制造，具有斬波穩(wěn)定放大的作用，由調(diào)制器102，放大器103，解調(diào)器105，低通濾波器106組成，通過調(diào)制解調(diào)作用將噪聲和失調(diào)降低，進一步得到放大后的傳感器信號，同時，由于斬波放大后的信號具有跟隨MEMS微加速度計101的頻率特性，因此可以通過檢測該信號從而實現(xiàn)閉環(huán)驅(qū)動電路。本發(fā)明中的閉環(huán)反饋驅(qū)動電路采用CMOS工藝制造，由峰值檢測電路112和可變增益運算放大器111兩個部分組成，通過檢測CMOS讀出電路的斬波放大輸出信號，從而對MEMS微加速度計101的驅(qū)動電壓經(jīng)行調(diào)節(jié)，從而具有跟蹤MEMS微加速度計101諧振頻率的特性，從而可以使MEMS微加速度計自適應(yīng)在諧振頻率處。本發(fā)明可以降低電路電學(xué)噪聲和失調(diào)，同時放大MEMS傳感器信號，以及為MEMS微加速度計提供了驅(qū)動電路，整體電路具有自適應(yīng)特性，不需要外接電路對MEMS加速度計進行驅(qū)動。
權(quán)利要求
1.一種采用斬波技術(shù)的MEMS微加速計閉環(huán)驅(qū)動電路，包括MEMS微加速度計電路；其特征是:所述MEMS微加速計電路的輸出端與CMOS讀出電路連接，所述CMOS讀出電路通過反饋驅(qū)動電路與MEMS微加速度計電路的驅(qū)動端連接，以提供MEMS微加速度計電路的驅(qū)動電壓； 所述CMOS讀出電路包括用于接收MEMS微加速計電路輸出信號的調(diào)制器(102 )，所述調(diào)制器(102)的輸出端與放大器(103)連接，所述放大器(103)的輸出端與帶通濾波器(104)連接，所述帶通濾波器(104)的輸出端與解調(diào)器(105)連接，所述解調(diào)器(105)的輸出端與低通濾波器(106)連接； 調(diào)制器(102 )將MEMS微加速度計電路的輸出信號頻率調(diào)制到高頻，所述高頻信號由放大器(103)進行放大，帶通濾波器(104)對放大后的高頻信號削弱信號頻率范圍外的信號，解調(diào)器(105)將帶通濾波器(104)處理后的高頻信號調(diào)制回低頻信號，低通濾波器(106)對低頻信號進行噪聲和失調(diào)濾除，反饋驅(qū)動電路根據(jù)低通濾波器(106)的輸出信號自動調(diào)節(jié)驅(qū)動MEMS微加速度計電路的驅(qū)動電壓，以使得MEMS微加速度計電路自適應(yīng)工作于諧振頻率處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用斬波技術(shù)的MEMS微加速計閉環(huán)驅(qū)動電路，其特征是:所述反饋驅(qū)動電路采用CMOS工藝制造,反饋驅(qū)動電路包括自動增益控制單元(107)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用斬波技術(shù)的MEMS微加速計閉環(huán)驅(qū)動電路，其特征是:所述CMOS讀出電路中的調(diào)制器(102)、放大器(103)、帶通濾波器(104)、解調(diào)器(105)及低通濾波器(106)為單端輸入單端輸出結(jié)構(gòu)或雙端輸入雙端輸出的全差分結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用斬波技術(shù)的MEMS微加速計閉環(huán)驅(qū)動電路，其特征是:所述自動增益控制單元(107)包括可變增益運算放大器(111)及峰值檢測電路(112)，所述可變增益運算放大器(111)的輸入端及峰值檢測電路(112)的輸入端分別與低通濾波器(106)的低通濾波器第一輸出端(108)及低通濾波器第二輸出端(109)連接，峰值檢測電路`(112)的輸出端與可變增益運算放大器(111)的控制端連接，可變增益運算放大器(111)的輸出端與MEMS微加速度計電路的驅(qū)動端(110)電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用斬波技術(shù)的MEMS微加速計閉環(huán)驅(qū)動電路，其特征是:所述調(diào)制器(102)及解調(diào)器(105)匹配連接，調(diào)制器(102)及解調(diào)器(105)包括第一開關(guān)(113)、第二開關(guān)(114)、第三開關(guān)(115)及第四開關(guān)(116)，第一開關(guān)(113)的第一端與第三開關(guān)(115)的第一端連接，第一開關(guān)(113)的第二端與第二開關(guān)(114)的第一端連接，第二開關(guān)(114)的第二端與第四開關(guān)(116)的第一端連接，第四開關(guān)(116)的第二端與第三開關(guān)(115)的第二端連接；其中，第一開關(guān)(113)的第一端、第二端為調(diào)制器(102)及解調(diào)器(105)的負端，第四開關(guān)(116)的第一端、第二端為調(diào)制器(102)及解調(diào)器(105)的正端；第一開關(guān)(113)與第四開關(guān)(116)的控制端受第一時鐘控制，第二開關(guān)(114)與第三開關(guān)(115)的控制端受第二時鐘控制，所述第一時鐘為第二時鐘的反相時鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用斬波技術(shù)的MEMS微加速計閉環(huán)驅(qū)動電路，其特征是:所述第一開關(guān)(113)、第二開關(guān)(114)、第三開關(guān)(115)及第四開關(guān)(116)為NMOS管或PMOS管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用斬波技術(shù)的MEMS微加速計閉環(huán)驅(qū)動電路，其特征是:所述調(diào)制器(102)或解調(diào)器(105)采用連續(xù)時間不帶開關(guān)的模擬乘法器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用斬波技術(shù)的MEMS微加速計閉環(huán)驅(qū)動電路，其特征是:所述帶通濾波器(104)、低通濾波器(106)為RC濾波器或gm-c濾波器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用斬波技術(shù)的MEMS微加速計閉環(huán)驅(qū)動電路，其特征是:所述MEMS微加速計電路中MEMS微加速度計(101)采用單質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)或雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的采用斬波技術(shù)的MEMS微加速計閉環(huán)驅(qū)動電路，其特征是:所述MEMS微加速計(101)采用單質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)時，MEMS微加速度計(101)包括第一質(zhì)量塊(126)及與所述第一質(zhì)量塊(126)匹配連接的第二錨點(120)及第三錨點(121 )，所述第二錨點(120)及第三錨點(121)為MEMS微加速度計(101)的輸出端，第一質(zhì)量塊(126)為MEMS微加速度計(101)的驅(qū)動端； 所述MEMS微加速計(101)采用雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)時，MEMS微加速度計(101)包括第一錨點(119)、第六錨點(124)、第四錨點(122)及第五錨點(123),所述第一錨點(119)、第六錨點(124)間的第二質(zhì)量塊與第四錨點(122)、第五錨點(123)間的第三質(zhì)量塊通過連接體(125)連接，第一錨點(119)及第六錨點(124)為MEMS微加速計(101)的驅(qū)動端，第四錨點(122)及第五錨點(123)為MEMS微加速度計(101)的輸出端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用斬波技術(shù)的MEMS微加速度計閉環(huán)驅(qū)動電路，其包括MEMS微加速度計電路；所述MEMS微加速計電路的輸出端與CMOS讀出電路連接，所述CMOS讀出電路通過反饋驅(qū)動電路與MEMS微加速度計電路的驅(qū)動端連接，以提供MEMS微加速度計電路的驅(qū)動電壓；所述CMOS讀出電路包括用于接收MEMS微加速計電路輸出信號的調(diào)制器，所述調(diào)制器的輸出端與放大器連接，所述放大器的輸出端與帶通濾波器連接，所述帶通濾波器的輸出端與解調(diào)器連接，所述解調(diào)器的輸出端與低通濾波器連接；本發(fā)明可以降低電路電學(xué)噪聲和失調(diào)，同時放大MEMS傳感器信號，以及為MEMS微加速度計提供了驅(qū)動電路，整體電路具有自適應(yīng)特性，不需要外接電路對MEMS加速度計進行驅(qū)動。
文檔編號G01P15/125GK103105508SQ20131001154
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月11日
發(fā)明者何鑫, 王瑋冰 申請人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心