電容性微機(jī)械傳感器力反饋模式接口系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】電容性微機(jī)械傳感器力反饋模式接口系統(tǒng)
【背景技術(shù)】
[0001] 微機(jī)械慣性傳感器已變成例如手持式移動(dòng)終端、相機(jī)及游戲控制器等許多消費(fèi)品 的整體部分。另外，微機(jī)械慣性傳感器廣泛用于行業(yè)中的振動(dòng)監(jiān)測(cè)、汽車安全及穩(wěn)定性控制 以及導(dǎo)航中。大體來說，微傳感器的讀出機(jī)構(gòu)可為壓電的、壓阻的或電容性的。然而，電容 性感測(cè)的高熱穩(wěn)定性及敏感性使其對(duì)廣泛范圍的應(yīng)用更具吸引力。典型電容性傳感器接口 電路由電容/電壓轉(zhuǎn)換器（C/V)構(gòu)成、后續(xù)接著模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D)及信號(hào)調(diào)節(jié)電路。將 傳感器及C/V并入基于2-A的力反饋環(huán)路提供許多益處，例如減小對(duì)傳感器過程及溫度 變化的敏感性、改進(jìn)系統(tǒng)帶寬及增加動(dòng)態(tài)范圍。另外，基于2-A的環(huán)路提供隱含的模/數(shù) 轉(zhuǎn)換，從而消除對(duì)獨(dú)立A/D的需要。
[0002] 電容性慣性MEMS傳感器展現(xiàn)二階低通傳遞函數(shù)。在一些系統(tǒng)中，MEMS用作2-A 環(huán)路濾波器，從而產(chǎn)生二階電子機(jī)械S-A環(huán)路。然而，僅依賴于MEMS作為濾波元件由于增 加的量化噪聲而產(chǎn)生分辨率損失。增加的量化噪聲由電子噪聲所導(dǎo)致的減小的有效S_ △ 環(huán)路量化器增益產(chǎn)生。為避免此分辨率損失，電子濾波器可引入到環(huán)路。額外電子濾波器對(duì) 于加速度計(jì)傳感器（加速度計(jì)傳感器是用于測(cè)量線性加速度的裝置）可為一階或二階的。 針對(duì)特定陀螺儀系統(tǒng)（陀螺儀裝置用于以度/秒為單位測(cè)量角速度），二階濾波器用于實(shí)施 可在遠(yuǎn)離DC的噪聲傳遞函數(shù)中產(chǎn)生陷波的諧振器，從而產(chǎn)生四階調(diào)制器。
[0003] 理想上，電容性慣性MEMS傳感器將表現(xiàn)為具有單個(gè)諧振頻率的二階集中質(zhì)量-阻 尼器-彈簧系統(tǒng)。然而，事實(shí)上，傳感器是具有額外寄生諧振模式的散布式元件。這些寄生 模式可導(dǎo)致A調(diào)制器的不穩(wěn)定性。
[0004] 以下參考文獻(xiàn)（下文分別稱為西格（Seeger)、塞特科夫（Petkov)、埃澤奎 (Ezekwe))解決存在寄生模式的情況下的電子機(jī)械2-A環(huán)路穩(wěn)定性的問題：
[0005] 在賽普拉斯（Proc)固態(tài)傳感器及致動(dòng)器研討會(huì)數(shù)字科技報(bào)（2000年6月，第296 至IJ299頁）中，J.I.西格、X?蔣（Jiang)、M?克拉夫特（Kraft)及B.E?波沙（Boser)的 "感測(cè)A力反饋陀螺儀中的指狀物動(dòng)態(tài)（SenseFingerDynamicsinaSigmaDelta ForceFeedbackGyroscope) '，。
[0006]V.P.塞特科夫的"用于微機(jī)械慣性傳感器的高階2-A接口 (High-order2 - AInterfaceforMicromachinedInertialSensors)'，（加州大學(xué)伯克利 分校電工程及計(jì)算機(jī)科學(xué)系：博士學(xué)位論文（2004年））。
[0007]C.D.埃澤奎的"用于高Q微機(jī)械振動(dòng)速率陀螺儀的讀出技術(shù)（Readout TechniquesforHigh-MicromachinedVibratoryRateGyroscopes)'，（加州大學(xué)伯克利 分校電工程及計(jì)算機(jī)科學(xué)系：博士學(xué)位論文（2007年））。
[0008] 穩(wěn)定存在高Q寄生模式的情況下的環(huán)路是挑戰(zhàn)性問題。根據(jù)一些看法，必須借助 適當(dāng)?shù)臋C(jī)械設(shè)計(jì)來解決高Q寄生模式，如僅使用電子技術(shù)是不成功的[塞特科夫]。
[0009] 在西格中，考慮二階電子機(jī)械S-A環(huán)路的穩(wěn)定性且建議維持系統(tǒng)取樣頻率與寄 生模式頻率之間的特定關(guān)系。然而，西格專用于具有低質(zhì)量因子（Q)寄生模式的二階環(huán)路 (不并入電子濾波器的環(huán)路），且不適用于較高階環(huán)路或不適用于高Q寄生模式的情形。另 一方面，在塞特科夫中，在大氣壓力下測(cè)試所述系統(tǒng)，借此確保充分阻尼高頻率模式。因此， 在實(shí)踐中，塞特科夫僅適用于低Q寄生模式。
[0010] 埃澤奎解決高Q寄生模式。然而，所提議解決方案使用正反饋技術(shù)，從而產(chǎn)生難以 設(shè)計(jì)、優(yōu)化及調(diào)諧的嵌套的反饋環(huán)路。更特定來說，在埃澤奎中，采納正反饋A環(huán)路。為 避免歸因于正反饋的不穩(wěn)定性，通過將偽隨機(jī)信號(hào)注入所述環(huán)路而將DC增益設(shè)定成低于 1。在DC處使DC增益低于1使所得系統(tǒng)不足以用于加速度計(jì)，且將其用途限制于陀螺儀， 因?yàn)榇藯l件減小頻帶內(nèi)噪聲衰減。DC增益的損失還導(dǎo)致在量化器之前的偏移積累，此需要 額外調(diào)節(jié)環(huán)路。所得系統(tǒng)由難以設(shè)計(jì)、優(yōu)化及調(diào)諧的嵌套環(huán)路組成。
[0011] 圖1中展示具有前饋求和的電子四階A調(diào)制器（調(diào)制器具有四個(gè)積分器）。 此電子調(diào)制器可形成電子機(jī)械△電容性接口電路的基礎(chǔ)，如本文中所展示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 在存在高Q寄生模式的情況下穩(wěn)定2-A電子機(jī)械環(huán)路的問題得到解決。在一個(gè) 實(shí)施例中，將二階有限脈沖響應(yīng)（FIR)濾波器引入到2-A電子機(jī)械環(huán)路中穩(wěn)定所述環(huán)路。 此解決方案由理論結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)結(jié)果兩者支持且比其它所提議技術(shù)簡(jiǎn)單得多。
[0013] 在另一實(shí)施例中，提供一種使用接口電路與MEMS傳感器以電子方式介接的方法， 所述MEMS傳感器及所述接口電路一起形成2-A調(diào)制器環(huán)路。根據(jù)所述方法，識(shí)別所述 MEMS傳感器的潛在寄生諧振模式，所述潛在寄生諧振模式具有頻率及質(zhì)量因子。將具有根 據(jù)所述潛在寄生諧振模式的所述頻率及所述質(zhì)量因子中的至少一者挑選的特性的濾波器 插入到所述A調(diào)制器環(huán)路中。
[0014] 在另一實(shí)施例中，提供一種接口電路，其用于使用接口電路與MEMS傳感器以電子 方式介接，所述MEMS傳感器及所述接口電路一起形成具有潛在寄生諧振模式的2-A調(diào)制 器環(huán)路，所述潛在寄生諧振模式由頻率及質(zhì)量因子表征。所述接口電路包含：電容/電壓轉(zhuǎn) 換器；前向環(huán)路電路，其耦合到所述電容/電壓轉(zhuǎn)換器且包括量化器；反饋環(huán)路，其耦合到 所述量化器且向所述MEMS傳感器提供力反饋信號(hào)；及FIR濾波器，其插入到所述前向環(huán)路 電路中且具有根據(jù)所述寄生諧振模式的所述頻率及所述質(zhì)量因子中的至少一者挑選的特 性。
[0015] 在又一實(shí)施例中，傳感器子系統(tǒng)包含MEMS傳感器；及接口電路，其耦合到所述MEMS傳感器，所述MEMS傳感器及所述接口電路一起形成具有潛在寄生諧振模式的2-A調(diào) 制器環(huán)路，所述潛在寄生諧振模式由頻率及質(zhì)量因子表征。所述接口電路還包含：電容/電 壓轉(zhuǎn)換器；前向環(huán)路電路，其耦合到所述電容/電壓轉(zhuǎn)換器且包括量化器；反饋環(huán)路，其耦 合到所述量化器且向所述MEMS傳感器提供力反饋信號(hào)；及FIR濾波器，其插入到所述前向 環(huán)路電路中且具有根據(jù)所述寄生諧振模式的所述頻率及所述質(zhì)量因子中的至少一者挑選 的特性。
【附圖說明】
[0016] 結(jié)合附圖，根據(jù)以下詳細(xì)說明，可進(jìn)一步理解本發(fā)明。在圖式中：
[0017] 圖1是電子調(diào)制器的框圖。
[0018] 圖2是電子機(jī)械調(diào)制器的框圖。
[0019] 圖3是另一電子機(jī)械調(diào)制器的框圖。
[0020] 圖4是與圖3的接口電路相似的陀螺儀2-A接口電路的根軌跡曲線圖。
[0021] 圖5是與圖4有關(guān)的陀螺儀2-A接口電路的開環(huán)響應(yīng)的圖式。
[0022] 圖6是具有寄生諧振模式的MEMS傳感器的傳遞函數(shù)的圖式。
[0023]圖7是在存在寄生模式的情況下的陀螺儀2-A接口系統(tǒng)的根軌跡曲線圖。
[0024] 圖8是在存在寄生模式的情況下的相同陀螺儀2-A接口系統(tǒng)的開環(huán)響應(yīng)的圖 式。
[0025] 圖9是表示補(bǔ)償濾波器的Z域復(fù)平面中的負(fù)極點(diǎn)及零點(diǎn)的圖式。
[0026] 圖10是補(bǔ)償式電子機(jī)械2-A環(huán)路系統(tǒng)的框圖。
[0027] 圖11是另一補(bǔ)償式電子機(jī)械2-A環(huán)路系統(tǒng)的框圖。
[0028] 圖12是圖10的補(bǔ)償式電子機(jī)械2-A接口環(huán)路系統(tǒng)的根軌跡曲線圖。
[0029] 圖13是圖10的電子機(jī)械2-A環(huán)路系統(tǒng)的開環(huán)響應(yīng)的圖式。
[0030] 圖14是MEMS陀螺儀的頻率響應(yīng)的圖式。
[0031]圖15是使用圖14的其中定制濾波器起作用的MEMS陀螺儀的系統(tǒng)的所測(cè)量2-A 環(huán)路輸出的圖式。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 圖2中展示電子機(jī)械調(diào)制器。MEMS傳感器S可由三個(gè)塊建模。V/F(電壓/力） 塊201產(chǎn)生表示由反饋電壓FB產(chǎn)生的靜電力的信號(hào)。I。塊203建模MEMS傳感器的定義 為輸出位移與輸入力的比率的傳遞函數(shù)。塊Kx/。205表示位移/電容增益。電容/電壓轉(zhuǎn) 換器C/V207感測(cè)歸因于輸入信號(hào)Fin的電容變化，且將其變換為可由后續(xù)電子濾波器電路 處理的電壓信號(hào)。C/V轉(zhuǎn)換器耦合到前饋電路210,所述前饋電路包含產(chǎn)生2-A輸出電壓 信號(hào)Out(z)的量化器（比較器）211、電子濾波器212及補(bǔ)償器C。（在建立電子機(jī)械環(huán)路 時(shí)，前饋電路210的前饋求和架構(gòu)優(yōu)于散布式反饋架構(gòu)）。2 -A輸出比較器電壓形成施加 到傳感器S的V/F塊201的反饋信號(hào)FB，從而形成靜電反饋力。
[0033] 理想地，機(jī)械傳感器展現(xiàn)以下二階傳遞函數(shù)：
[0034]
〇)
[0035] 其中F(s)為輸入力（在陀螺儀的情形中為科里奧利（coriolis)力；或在加速度 計(jì)的情形中為歸因于輸入加速度的力），X(s)為傳感器檢驗(yàn)質(zhì)量的對(duì)應(yīng)于輸入力的位移，m 為檢驗(yàn)質(zhì)量的質(zhì)量，D為阻尼系數(shù)，且K為彈簧常數(shù)。因此，在電子機(jī)械2-A調(diào)制器中，機(jī) 械傳感器形成前兩個(gè)積分器且第一積分器的輸出不可存取，從而減小可實(shí)現(xiàn)的前饋分支的 數(shù)目。即，消除圖1中的前饋分支％?？朔鄙俚谝环e分器的可存取性及因此保持電子機(jī) 械環(huán)路穩(wěn)定的一種方式是使用如圖2中所展示的一階補(bǔ)償器C。達(dá)成穩(wěn)定性的另一方式是 使用如圖3中所圖解說明的額外反饋分支FB'。后一技術(shù)產(chǎn)生較少頻帶外噪聲，從而產(chǎn)生較 大量化器有效增益以及（因此）較好噪聲定形及較高穩(wěn)定性。
[0036] 可使用眾所周知的根軌跡曲線圖來評(píng)估穩(wěn)定性。圖4中展示基于圖3的架構(gòu)的陀 螺儀2-A接口電路的根軌跡曲線圖。陀螺儀傳感器具有4. 2KHz的諧振頻率及20, 000Q。 盡管已挑選陀螺儀的實(shí)例，但通常分析適用于MEMS傳感器系統(tǒng)。根軌跡