CN112234987A - 一种mems传感器***及其使用方法 - Google Patents

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CN112234987A CN202011135327.1A CN202011135327A CN112234987A CN 112234987 A CN112234987 A CN 112234987A CN 202011135327 A CN202011135327 A CN 202011135327A CN 112234987 A CN112234987 A CN 112234987A
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李宗伟
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Abstract

本发明公开了一种MEMS传感器***，包括：MEMS传感器；前置放大器用于将MEMS传感器输出的电荷量转化为第一电压信号输出；前置放大器包括第一运算放大器，以及并联在第一运算放大器的负向输入端与输出端之间的反馈电容和电阻；相关双采样器用于采样前置放大器在不同时刻输出的第一电压信号，并对其做减法运算，输出与反馈电容的电容变化量成比例的第二电压信号；模数转换器用于将相关双采样器输出的第二电压信号转化为数字电压信号输出；数字信号处理器用于对模数转换器输出的数字电压信号进行噪声压制处理；动态反馈单元用于脉冲信号至MEMS传感器，控制多个开关的通断，将上极板和下极板接通对应的电压信号。本发明提供的***可以提高***精度与降低功耗。

Description

一种MEMS传感器***及其使用方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种MEMS传感器***及其使用方法。
背景技术
现有MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电***)传感器架构大多采用开关电容电路实现，这种电路存在较多的开关状态切换，MEMS传感器***容易受开关噪声影响，如开关热噪声等，限制了MEMS传感器的精度，比如精度达到10ng/rt(Hz)的应用等。在地震勘探等应用中，需要高精度MEMS传感器，应用传统开关电容电路结构的传感器不能满足要求。因此需要一种MEMS传感器***来提高精度。
发明内容
本申请实施例通过提供一种MEMS传感器***及其使用方法，可以提高***精度与降低功耗。
本发明提供一种MEMS传感器***，其包括：
MEMS传感器，其包含有上极板、中间极板和下极板，所述上极板和所述下极板均分别通过多个开关接入不同大小的电压信号；
前置放大器，与MEMS传感器电性连接，用于将所述MEMS传感器输出的电荷量转化为第一电压信号输出；所述前置放大器包括第一运算放大器，以及并联在所述第一运算放大器的负向输入端与输出端之间的反馈电容和电阻；
相关双采样器，与所述前置放大器电性连接，用于采样所述前置放大器在不同时刻输出的所述第一电压信号，并对所述第一电压信号做减法运算，输出与所述反馈电容的电容变化量成比例的第二电压信号；
模数转换器，与所述相关双采样器电性连接，用于将所述相关双采样器输出的所述第二电压信号转化为数字电压信号，并将所述数字电压信号输出；
数字信号处理器，与所述模数转换器电性连接，用于对所述模数转换器输出的所述数字电压信号进行噪声压制处理，同时产生时序信号，并将所述时序信号输出；
动态反馈单元，与所述数字信号处理器电性连接，用于根据所述时序信号，输出对应的脉冲信号至所述MEMS传感器，以控制所述多个开关的通断，将所述上极板和所述下极板接通对应的电压信号。
优选的，所述动态反馈单元，还用于通过动态元件匹配方法或者数据加权平均方法对所述时序信号进行处理。
优选的，所述动态反馈单元，用于根据所述时序信号，输出固定脉冲宽度的脉冲信号，或者输出随所述时序信号的大小自动调整脉冲宽度的脉冲信号。
优选的，所述数字信号处理器，其输出端还与所述MEMS传感器的输入端电性连接，用于选择将所述时序信号输出至所述MEMS传感器，以控制所述多个开关的通断，实现所述上极板和所述下极板接通对应的电压信号。
优选的，所述数字信号处理器，还用于产生用于抵消直流偏置信号的数字序列。
优选的，所述相关双采样器，包括：第二运算放大器、第一存储电容以及第二存储电容；
所述第一存储电容的第一端接地，所述第一存储电容的第二端与所述第二运算放大器的负向输入端连接，且所述第一存储电容的第二端还通过第一开关与所述前置放大器的输出端连接；
所述第二存储电容的第一端接地，所述第二存储电容的第二端与所述第二运算放大器的正向输入端连接，且所述第二存储电容的第二端还通过第二开关与所述前置放大器的输出端连接。
优选的，所述第一运算放大器在工作时，其正向输入端接地或者接入共模电压，所述共模电压的大小为参考电压的一半。
优选的，所述参考电压为所述MEMS传感器***的供电电压。
本发明提供一种MEMS传感器***的使用方法，所述MEMS传感器***为上述的***，所述方法包括：
动态反馈单元输出脉冲信号至MEMS传感器，控制所述MEMS传感器的上极板接通参考电压，以给所述MEMS传感器的上极板和中间极板形成的第一电容充电，在所述第一电容充电完成之后，控制所述相关双采样器获取所述第一电容电压并存储；
所述动态反馈单元输出脉冲信号至所述MEMS传感器，控制所述MEMS传感器的下极板接通所述参考电压，给所述MEMS传感器的下极板和中间极板形成的第二电容充电，在所述第二电容充电完成之后，控制所述相关双采样器获取所述第二电容电压并存储；
将所述第一电容电压与所述第二电容电压相减后输出第二电压信号。
优选的，还包括：
控制第一运算放大器虚短，将所述中间极板的电压提升至所述参考电压的一半，以实现所述第一运算放大器伪差分读出。
实施本发明，具有如下有益效果：本发明提供的***及方法中，前置放大器的输出电压采用相关双采样器进行采样与数学运算，能够有效消除电路中的低频噪声与失调电压等共模成分，克服了未采用相关双采样器时前置放大器输出的电压信号直流偏置偏大的缺点，克服了前置放大器电容要远远大于MEMS传感器电容的劣势。同时能够提高前置放大器输出信号的信噪比，降低模数转换器的精度要求，有利于提高***精度与降低功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一实施例中MEMS传感器***的示意图；
图2是本发明提供的一实施例中动态反馈单元的动态匹配电路示意图；
图3是本发明提供的另一实施例中动态反馈单元的动态匹配电路示意图；
图4是本发明提供的相关双采样器的示意图；
图5是本发明提供的一实施例中脉冲宽度可调的MEMS传感器读出与反馈时序示意图；
图6是本发明提供的一实施例中数据加权平均技术实施方式示意图；
图7是本发明提供的单极检测技术动态反馈单元输出电压与相关双采样保持器时序示意图；
图8是本发明提供的另一实施例中MEMS传感器***的示意图。
具体实施方式
为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。
本发明提供了一种MEMS传感器***，如图1所示，该***包括：MEMS传感器1、前置放大器2、相关双采样器3、模数转换器4(即：ADC 4)、数字信号处理器5以及动态反馈单元6。
MEMS传感器1包含有上极板、中间极板和下极板，上极板和下极板均分别通过多个开关接入不同大小的电压信号。
前置放大器2与MEMS传感器1电性连接，用于将MEMS传感器1输出的电荷量转化为第一电压信号输出；前置放大器2包括第一运算放大器OP1，以及并联在第一运算放大器OP1的负向输入端与输出端之间的反馈电容Cf和电阻Rf。
反馈电容Cf用于产生存储MEMS传感器1输出的电荷量，电阻Rf用于防止反馈电容Cf产生饱和并提供第一运算放大器OP1输出直流偏置。
在一实施例中，第一运算放大器OP1的正向输入端接共模电压，共模电压的电压值为Vref/2，Vref为参考电压。这种接法能够有效消除MEMS传感器1中间极板位于平衡位置时固定电容所存储的固定电荷，能够有效利用运算放大器的输出电压摆幅，提高***精度。
本发明中的前置放大器2只需要运算放大器、反馈电容Cf和电阻Rf组成，没有开关，无开关热噪声，无开关状态切换，功耗低。
相关双采样器3与前置放大器2电性连接，用于采样前置放大器2在不同时刻输出的第一电压信号，并对第一电压信号做减法运算，输出与反馈电容Cf的电容变化量成比例的第二电压信号，消除低频噪声、直流偏置等误差，提高***精度与灵敏度。第一电压信号和第二电压信号均为模拟电压信号。
采用相关双采样器3，能够有效消除电路中的低频噪声与失调电压等共模成分，克服了未采用相关双采样器3的MEMS传感器的前置放大器2输出的电压信号直流偏置偏大的缺点，克服了前置放大器电容要远远大于MEMS传感器电容的劣势。同时能够提高前置放大器2输出信号的信噪比，降低模数转换器ADC(Analog-to-Digital Converter，模/数转换器或者模拟/数字转换器)的精度要求，有利于提高***精度与降低功耗。
模数转换器4与相关双采样器3电性连接，模数转换器4用于将相关双采样器3输出的第二电压信号转化为数字电压信号，并将数字电压信号输出。模数转换器4的位数取决于需要量化的模拟电压幅度大小，如10-bit/12-bit等。
数字信号处理器5与模数转换器4电性连接，数字信号处理器5用于对模数转换器4输出的数字电压信号进行噪声压制处理，同时产生作用于脉冲产生器的时序信号，并将时序信号输出。
数字信号处理器5可以为DSP/FPGA等数字处理芯片，对模数转换器4输出的数字电压信号在数字域进行噪声压制等数字信号处理，还根据处理后的数字电压信号产生作用于脉冲产生器的时序信号。在一种实施例中，数字信号处理器5可以产生用于抵消重力加速度等直流偏置信号的数字序列，该序列作用于数字模拟转换器上，抵消固定偏置。
动态反馈单元6与数字信号处理器5电性连接，动态反馈单元6用于根据时序信号，输出对应的脉冲信号至MEMS传感器1，以控制多个开关的通断，将上极板和下极板接通对应的电压信号。
例如，如图2所示，MEMS传感器1的上极板分别通过5个开关S1、S2、S3、S4、S5分别接入不同的电压信号Vref、3Vref/4、2Vref/4、Vref/4、0，下极板分别通过5个开关S6、S7、S8、S9、S10分别接入不同的电压信号0、Vref/4、2Vref/4、3Vref/4、Vref，开关S1～S10的控制信号可以是动态反馈单元6输出的脉冲信号，也可以是数字信号处理器5输出的数字序列。在另一实施例中，如图3所示，MEMS传感器1的上极板分别通过2个开关S1、S2分别接入不同的电压信号Vref、0，下极板分别通过2个开关S3、S3分别接入不同的电压信号0、Vref。动态反馈单元6采用动态元件匹配技术输出的脉冲信号控制上极板和下极板分别接入不同电压信号，消除动态反馈非线性问题。
动态反馈单元6根据输入信号大小自动调整反馈信号，达到输入信号自适应调整目的，降低非线性与功耗。
动态反馈单元6还用于通过动态元件匹配方法或者数据加权平均方法对时序信号进行处理，以消除脉冲信号中的动态反馈非线性问题。
如图4所示，相关双采样器3包括：第二运算放大器OP2、第一存储电容C1以及第二存储电容C2。
第一存储电容C1的第一端接地，第一存储电容C1的第二端与第二运算放大器OP2的负向输入端连接，且第一存储电容C1的第二端还通过第一开关SW1与前置放大器2的输出端连接。
第二存储电容C2的第一端接地，第二存储电容C2的第二端与第二运算放大器OP2的正向输入端连接，且第二存储电容C2的第二端还通过第二开关SW2与前置放大器2的输出端连接。
进一步地，动态反馈单元6用于根据时序信号，输出固定脉冲宽度的脉冲信号，或者输出随时序信号的大小自动调整脉冲宽度的脉冲信号，例如，输入的时序信号越大，脉冲信号的脉冲宽度越宽，输入的时序信号越小，脉冲信号的脉冲宽度越窄，实现闭环反馈。
在一实施例中，动态反馈单元6输出一系列固定宽度的脉冲信号，控制上极板接通与脉冲信号对应的电压信号，或者下极板接通与脉冲信号对应的电压信号。通过控制加在上极板和下极板上电压的脉冲信号宽度，达到反馈控制的效果。如图5所示，是脉冲宽度可调MEMS传感器1读出与反馈时序，上下极板所加脉冲宽度的差值的时间平均与输入加速度信号成反比。
在上述实施例中，为了消除非线性效应，可采用动态元件匹配技术(DEM，dynamicelement matching)，更具体地，可以为图6所示数据加权平均技术(DWA，data weightedaveraging)实施方法，消除动态反馈非线性问题。
在另外一种实施例中，动态反馈单元6输出随输入信号大小而自动调整脉冲宽度的开关信号，输入信号越大，驱动信号的脉冲宽度越宽，输入信号越小，驱动信号的脉冲宽度越窄。
在上述实施例中，MEMS传感器1在动态反馈单元6输出的脉冲信号下开始工作，其上下极板所加驱动电压如图7所示。
为了便于描述，将MEMS传感器1工作状态划分为二个状态。
状态一：上极板接参考电压Vref，给中上极板电容充电，下极板接地(或者0V)，与此同时，在中上极板充电达到稳态并通过前置放大器2转化为稳定电压时，相关双采样器模块1在时序信号控制下，采样此时前置放大器2输出的稳定电压值并存储。
状态二：下极板接参考电压Vref，给中下极板电容充电，上极板接地(或者0V)，与此同时，在中下极板充电达到稳态并通过前置放大器2转化为稳定电压时，相关双采样器模块2在时序控制下，采样此时前置放大器2输出的稳定电压值并与相关双采样器模块1存储的电压相减，消除存储的失调电压、1/f噪声等低频信号，输出变化的电压信号。
状态一：假设中上极板电容为Ct，中下极板电容为Cb，此状态前置放大器2输出电压为Vo1。
中上极板存储电荷：Qt1＝Vref*Ct；
中下极板存储电荷：Qb1＝0*Ct＝0；
前置放大器2Cf上存储电荷：Qf1＝Vo1*Cf；
有电荷守恒，可以得到：Qt1+Qb1+Qf1＝0；
可以得到此时相关双采样器3采样的电压为：
Figure BDA0002736443470000081
状态二：假设中上极板电容为Ct，中下极板电容为Cb，此状态前置放大器2输出电压为Vo2。
中上极板存储电荷：Qt2＝0*Ct＝0；
中下极板存储电荷：Qb2＝Vref*Ct；
前置放大器2Cf上存储电荷：Qf2＝Vo2*Cf；
有电荷守恒，可以得到：Qt2+Qb2+Qf2＝0；
可以得到此时相关双采样器3采样的电压为：
Figure BDA0002736443470000082
从状态一和状态二前置放大器2的输出电压可以得到必须确保Ct与Cb同时远小于反馈电容Cf，即Cf＞＞Ct且Cf＞＞Cb，否则会使得输出电压大于Vref，产生饱和现象，以至于无法得到正确的传感器信号，使得***失效。但是Cf＞＞Ct且Cf＞＞Cb，会使得Cf电容很大，且占用很多芯片面积与功耗，不利于低成本与低功耗设计。
在状态二结束时，相关双采样器3输出的电压信号为：
Figure BDA0002736443470000083
假设质量块偏离中心位置的位移为x时，ε表示介质介电常数，A表示两极板正对面积，d表示两极板间垂直距离，可以得到：
Figure BDA0002736443470000091
Figure BDA0002736443470000092
当位移x＜＜d时，可以近似得到Ct＝C0+ΔC，Cb＝C0-ΔC，故可以得到：
Figure BDA0002736443470000093
上式表明，相关双采样器3输出的信号幅度增加了一倍，且输出信号不含直流信号，提高了输出信号的信噪比。
数字信号处理器5输出端还与MEMS传感器1的输入端电性连接，数字信号处理器5用于选择将时序信号输出至MEMS传感器1，以控制多个开关的通断，实现上极板和下极板接通对应的电压信号。
第一运算放大器OP1在工作时，其正向输入端接地或者接入共模电压，共模电压的大小为参考电压的一半。
在另一实施例中，如图8所示，当第一运算放大器OP1的正向输入端接入共模电压Vcom时，这种接法能够有效消除MEMS传感器1中间极板位于平衡位置时的固定电容所存储的固定电荷，能够有效利用第一运算放大器OP1的输出电压摆幅，提高***精度。
在另一实施例中，通过“虚短”，可以使MEMS传感器1中间极板电压抬升至Vref/2电位。这样操作可以实现前置放大器2伪差分读出，即：Vref充当正参考电压，地(0V)充当负参考电压，通过动态反馈单元6在正负参考电压之间来回切换，实现差分读出。
在一种实施例中，参考电压为MEMS传感器***的供电电压，即***参考源与***供电电压为同一电压，而不需要单独产生参考电压，节约设计成本。供电电压与参考电压均要满足***噪声性能需求。本发明提供的***采用单电源供电，单参考电源，单极检测，容易实现低电压，进而实现低功耗。
本发明还提供一种MEMS传感器***的使用方法，MEMS传感器***为上述的***，方法包括：
动态反馈单元6输出脉冲信号至MEMS传感器1，控制MEMS传感器1的上极板接通参考电压，以给MEMS传感器1的上极板和中间极板形成的第一电容充电，在第一电容充电完成之后，控制相关双采样器3获取第一电容电压并存储；
动态反馈单元6输出脉冲信号至MEMS传感器1，控制MEMS传感器1的下极板接通参考电压，给MEMS传感器1的下极板和中间极板形成的第二电容充电，在第二电容充电完成之后，控制相关双采样器3获取第二电容电压并存储；
将第一电容电压与第二电容电压相减后输出第二电压信号。
上述的MEMS传感器***的应用方法还包括：
控制第一运算放大器OP1虚短，将中间极板的电压提升至参考电压的一半，以实现第一运算放大器OP1伪差分读出。
综上，本发明提供的***及方法中，前置放大器2采用相关双采样器3，能够有效消除电路中的低频噪声与失调电压等共模成分，克服了未采用相关双采样器3时前置放大器2输出的电压信号直流偏置偏大的缺点，克服了前置放大器电容要远远大于MEMS传感器电容的劣势。同时能够提高前置放大器2输出信号的信噪比，降低模数转换器4的精度要求，有利于提高***精度与降低功耗。而且，通过动态反馈单元6，可以根据输入信号大小自动调整反馈信号，达到输入信号自适应调整目的，降低非线性与功耗。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种MEMS传感器***，其特征在于，包括：
MEMS传感器，其包含有上极板、中间极板和下极板，所述上极板和所述下极板均分别通过多个开关接入不同大小的电压信号；
前置放大器，与MEMS传感器电性连接，用于将所述MEMS传感器输出的电荷量转化为第一电压信号输出；所述前置放大器包括第一运算放大器，以及并联在所述第一运算放大器的负向输入端与输出端之间的反馈电容和电阻；
相关双采样器，与所述前置放大器电性连接，用于采样所述前置放大器在不同时刻输出的所述第一电压信号，并对所述第一电压信号做减法运算，输出与所述反馈电容的电容变化量成比例的第二电压信号；
模数转换器，与所述相关双采样器电性连接，用于将所述相关双采样器输出的所述第二电压信号转化为数字电压信号，并将所述数字电压信号输出；
数字信号处理器，与所述模数转换器电性连接，用于对所述模数转换器输出的所述数字电压信号进行噪声压制处理，同时产生时序信号，并将所述时序信号输出；
动态反馈单元，与所述数字信号处理器电性连接，用于根据所述时序信号，输出对应的脉冲信号至所述MEMS传感器，以控制所述多个开关的通断，将所述上极板和所述下极板接通对应的电压信号。
2.根据权利要求1所述的MEMS传感器***，其特征在于，所述动态反馈单元，还用于通过动态元件匹配方法或者数据加权平均方法对所述时序信号进行处理。
3.根据权利要求1所述的MEMS传感器***，其特征在于，所述动态反馈单元，用于根据所述时序信号，输出固定脉冲宽度的脉冲信号，或者输出随所述时序信号的大小自动调整脉冲宽度的脉冲信号。
4.根据权利要求1所述的MEMS传感器***，其特征在于，所述数字信号处理器，其输出端还与所述MEMS传感器的输入端电性连接，用于选择将所述时序信号输出至所述MEMS传感器，以控制所述多个开关的通断，实现所述上极板和所述下极板接通对应的电压信号。
5.根据权利要求1所述的MEMS传感器***，其特征在于，所述数字信号处理器，还用于产生用于抵消直流偏置信号的数字序列。
6.根据权利要求1所述的MEMS传感器***，其特征在于，所述相关双采样器，包括：第二运算放大器、第一存储电容以及第二存储电容；
所述第一存储电容的第一端接地，所述第一存储电容的第二端与所述第二运算放大器的负向输入端连接，且所述第一存储电容的第二端还通过第一开关与所述前置放大器的输出端连接；
所述第二存储电容的第一端接地，所述第二存储电容的第二端与所述第二运算放大器的正向输入端连接，且所述第二存储电容的第二端还通过第二开关与所述前置放大器的输出端连接。
7.根据权利要求1所述的MEMS传感器***，其特征在于，所述第一运算放大器在工作时，其正向输入端接地或者接入共模电压，所述共模电压的大小为参考电压的一半。
8.根据权利要求7所述的MEMS传感器***，其特征在于，所述参考电压为所述MEMS传感器***的供电电压。
9.一种MEMS传感器***的使用方法，其特征在于，所述MEMS传感器***为权利要求1-8任一项所述的***，所述方法包括：
动态反馈单元输出脉冲信号至MEMS传感器，控制所述MEMS传感器的上极板接通参考电压，以给所述MEMS传感器的上极板和中间极板形成的第一电容充电，在所述第一电容充电完成之后，控制所述相关双采样器获取所述第一电容电压并存储；
所述动态反馈单元输出脉冲信号至所述MEMS传感器，控制所述MEMS传感器的下极板接通所述参考电压，给所述MEMS传感器的下极板和中间极板形成的第二电容充电，在所述第二电容充电完成之后，控制所述相关双采样器获取所述第二电容电压并存储；
将所述第一电容电压与所述第二电容电压相减后输出第二电压信号。
10.根据权利要求9所述的MEMS传感器***的应用方法，其特征在于，还包括：
控制第一运算放大器虚短，将所述中间极板的电压提升至所述参考电压的一半，以实现所述第一运算放大器伪差分读出。
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