微机电系统及检测电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种微机电系统及检测电路，通过检测电路中的自测试电容阵列输出周期变化的电荷，由此当进行检测电路的自测试时，通过所述自测试电容阵列输出的周期变化的电荷即可进行，从而避免了需要检测电路驱动模块产生高压驱动信号使微机械传感器中的微机械自测试电容输出自测试需要的周期电荷信号，由此检测电路的自测试过程不再需要微机械传感器参与，简化了检测电路的自测试流程，并提高了自测试可靠性；同时，微机械传感器中也不再需要微机械自测试电容了，从而降低了微机械传感器设计复杂度以及检测电路驱动模块的设计难度。
【专利说明】微机电系统及检测电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成电路【技术领域】，特别涉及一种微机电系统及检测电路。
【背景技术】
[0002]微机电系统(MEMS)应用越来越多，其主要包括微机械传感器和检测电路，其中，微机械传感器需要检测电路来检测传感器的变化，并作相应的信号处理。很大一部分微机械传感器采用的是电容传感的方式，与之相对应的检测电路用来检测微机械传感电容的电容变化。在微机电系统设计的初始阶段，需要判断微机械传感器和检测电路是否能正常工作。微机械传感器可以用专用的检测方法来测试，但是检测电路最好能有一种自测试的方法来判断自己的好坏；另外，在使用的过程中，如果整个微机电系统有损坏，检测电路自带的自测试功能也可以判断微机电系统是微机械传感器损坏还是检测电路损坏。
[0003]目前，较多的微机电系统将检测电路的自测试功能所需要的电容采用微机械实现，在微机械传感器中制作，这样给微机械传感器微机械的设计带来了更高的复杂度；此夕卜，驱动微机械自测试电容一般需要较高的电压，这给检测电路的驱动模块增加了难度；而且完成自测试需要微机械传感器的参与，这就需要微机械传感器没有损坏才能进行。
[0004]请参考图1，其为现有的微机电系统的结构示意图。如图1所示,微机电系统包括检测电路10和微机械传感器20，其中，微机械自测试电容21和微机械传感电容22做在一起，构成微机械传感器20 ;微机械自测试电容21和微机械传感电容22的做法一样。在自测试的时候，通过驱动模块11对微机械自测试电容21的极板加所需要的自测试高压驱动信号；然后通过检测电路10的信号读取和处理模块12读取电容的变化，该电容大小的变化最终在信号读取和处理模块12的输出端体现出来，正常情况下是一个不同于非测试状态下的电压值；最后通过该电压值判断检测电路10是否正常工作。
[0005]这样对检测电路10的自测试就必须建立在微机械传感器20能正常工作的条件下，如果微机械传感器20由于各种原因不能正常工作，则无法单独完成检测电路10的自测试功能；并且还需要额外提供检测电路10自测试时需要的高压驱动信号，而且驱动信号有时需要和微机械传感器20采样读取时钟同步，增加了电路的设计复杂度。
[0006]进一步的，请参考图2，其为现有的微机械传感器的微机械实现自测试的简要原理图。如图2所示，IS和2S是自测试高压驱动信号的电信号输入端，II和21是微机械传感器电荷输出端，这一对输出端和检测电路的信号读取和处理模块相连。在IS和2S自测试输入端加驱动信号(例如正弦电压信号)，正弦电压信号通过微机械自测试电容极板产生静电力Fe，静电力Fe推动微机械传感电容做正弦振动，从II和21输出正弦变化的电荷，通过检测微机械传感器的信号读取和处理模块将电荷转换成电压信号，并最后输出一个相应的电压值，完成自测试。
[0007]对于现有的检测电路很大的问题是无法单独完成自测试功能，需要倚靠微机械传感器，如此将造成自测试流程的不方便以及可靠性低；另外因为需要提供高压且同步的驱动信号这样又增加了检测电路驱动模块的设计难度；微机械传感器也因为要多设计一组梳齿状的微机械自测试电容，而提高了微机械传感器的设计复杂度。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种微机电系统及检测电路，以解决现有技术中，检测电路无法单独完成自测试功能，需要倚靠微机械传感器，如此将造成自测试流程的不方便以及可靠性低；另外因为需要提供高压且同步的驱动信号这样又增加了检测电路驱动模块的设计难度；微机械传感器也因为要多设计一组梳齿状的微机械自测试电容，而提高了微机械传感器的设计复杂度的问题。
[0009]为解决上述问题，本发明提供一种微机电系统，所述微机电系统包括:微机械传感器以及与所述微机械传感器连接的检测电路；其中，
[0010]所述微机械传感器包括微机械传感电容；
[0011]所述检测电路包括:自测试电容阵列以及与所述自测试电容阵列连接的信号读取和处理模块；其中，
[0012]所述自测试电容阵列用以输出周期变化的电荷；
[0013]所述信号读取和处理模块包括:顺次连接的电荷放大器、解调器及低通滤波器；所述信号读取和处理模块用以根据所述自测试电容阵列输出的周期变化的电荷输出一电压信号，所述电压信号用以判断所述检测电路是否正常工作，完成自测试功能。
[0014]可选的，在所述的微机电系统中，所述自测试电容阵列包括幅值电路和与所述幅值电路连接的周期实现电路；其中，
[0015]所述幅值电路用以产生只有正半周期变换的半周期变化电荷；
[0016]所述周期实现电路用以将只有正半周期变换的半周期变化电荷转换成正负半周期都有的周期变化电荷。
[0017]可选的，在所述的微机电系统中，所述周期变化电荷包括正弦波周期变化电荷或者三角波周期变化电荷。
[0018]可选的，在所述的微机电系统中，所述幅值电路包括第一电路组，所述第一电路组包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第一开关、一与所述电容相连的第二开关及与所述第二开关相连的共模电平Vcm，其中，所述第一开关的开启信号与所述第二开关的开启信号相反。
[0019]可选的，在所述的微机电系统中，多组并联的电容组中的多个电容值呈正弦波或者三角波变化，通过不同的电容组中的电容在不同时刻被选中，从而产生只有正半周期变换的半正弦波周期变化电荷或者半三角波周期变化电荷。
[0020]可选的，在所述的微机电系统中，所述幅值电路还包括与所述第一电路组串联的n+1个第一调节电路、η个第二调节电路及一第三调节电路，其中，所述η为自然数，所述第一调节电路包括并联的一电容及一受复位信号控制的开关，及与所述电容和开关连接的共模电平Vcm;所述第二调节电路包括一电容；所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平VMf，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反。
[0021 ] 可选的，在所述的微机电系统中，所述幅值电路还包括与所述第一电路组串联的一第三调节电路及一第四调节电路，其中，所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平vMf，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反；所述第四调节电路包括一受复位信号控制的开关及与所述开关连接的共模电平Vcm0
[0022]可选的，在所述的微机电系统中，所述周期实现电路包括第一支路及与所述第一支路并联的第二支路，其中，
[0023]所述第一支路包括一第五开关及与所述第五开关相连的参考电平Vcom ；
[0024]所述第二支路包括一第六开关及与所述第六开关相连的地电平GND ;所述第六开关的开启信号与所述第五开关的开启信号相反。
[0025]可选的，在所述的微机电系统中，所述第五开关的开启信号的形成电路包括--第一并联电路，所述第一并联电路包括并联的第一产生电路及第二产生电路，所述第一产生电路包括一受符号控制信号PH_Vsin控制的开关，所述受符号控制信号PH_Vsin控制的开关与一读取信号PH_RS连接；所述第二产生电路包括一受符号控制信号的反相信号
PH_ Vsin控制的开关，所述受符号控制信号的反相信号PH_ Vsin控制的开关与一读取信号的反相信号再连接；
[0026]所述第六开关的开启信号的形成电路包括:第二并联电路，所述第二并联电路包括并联的第三产生电路及第四产生电路，所述第三产生电路包括一受符号控制信号PH_Vsin控制的开关，所述受符号控制信号PH_Vsin控制的开关与一读取信号的反相信号
再连接；所述第四产生电路包括一受符号控制信号的反相信号PH_Vsin控制的开
关，所述受符号控制信号的反相信号PH _ V sin控制的开关与一读取信号PH_RS连接。
[0027]可选的，在所述的微机电系统中，所述第五开关的开启信号的形成电路还包括与所述第一并联电路相连的缓冲器；所述第六开关的开启信号的形成电路还包括与所述第二并联电路相连的缓冲器。
[0028]可选的，在所述的微机电系统中，
[0029]在符号控制信号PH_Vsin为高电平期间，当电荷放大器处于复位状态时，b端接地，a端是虚地端，两端ba的电荷为0，当电荷放大器处于读取状态时，b端接Vcom，a端是虚地端,两端ba的电荷为Vcom*Cba，从而b和a两端之间的电荷Qba相比前一个复位状态的增加了 Vcom*Cba ；
[0030]在符号控制信号PH_Vsin为低电平期间，当电荷放大器处于复位状态时，b端接Vcom, a端是虚地端,两端ba的电荷为Vcom*Cba,当电荷放大器处于读取状态时，b端接GND, a端是虚地端，两端ba的电荷为0，从而b和a两端之间的电荷Qba相比前一个复位Reset 状态的增加了 _Vcom*Cba ；
[0031]其中，Cba为两端ba的电容值。
[0032]可选的，在所述的微机电系统中，自测试电容阵列的输出电荷为:
[0033]
【权利要求】
1.一种微机电系统，其特征在于，包括:微机械传感器以及与所述微机械传感器连接的检测电路；其中， 所述微机械传感器包括微机械传感电容； 所述检测电路包括:自测试电容阵列以及与所述自测试电容阵列连接的信号读取和处理模块；其中， 所述自测试电容阵列用以输出周期变化的电荷； 所述信号读取和处理模块包括:顺次连接的电荷放大器、解调器及低通滤波器；所述信号读取和处理模块用以根据所述自测试电容阵列输出的周期变化的电荷输出一电压信号，所述电压信号用以判断所述检测电路是否正常工作，完成自测试功能。
2.如权利要求1所述的微机电系统，其特征在于，所述自测试电容阵列包括幅值电路和与所述幅值电路连接的周期实现电路；其中， 所述幅值电路用以产生只有正半周期变换的半周期变化电荷； 所述周期实现电路用以将只有正半周期变换的半周期变化电荷转换成正负半周期都有的周期变化电荷。
3.如权利要求2所述的微机电系统，其特征在于，所述周期变化电荷包括正弦波周期变化电荷或者三角波周期变化电荷。
4.如权利要求2所述的微机电系统，其特征在于，所述幅值电路包括第一电路组，所述第一电路组包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第一开关、一与所述电容相连的第二开关及与所述第二开关相连的共模电平Vcm，其中，所述第一开关的开启信号与所述第二开关的开启信号相反。
5.如权利要求4所述的微机电系统，其特征在于，多组并联的电容组中的多个电容值呈正弦波或者三角波变化，通过不同的电容组中的电容在不同时刻被选中，从而产生只有正半周期变换的半正弦波周期变化电荷或者半三角波周期变化电荷。
6.如权利要求4所述的微机电系统，其特征在于，所述幅值电路还包括与所述第一电路组串联的n+1个第一调节电路、η个第二调节电路及一第三调节电路，其中，所述η为自然数，所述第一调节电路包括并联的一电容及一受复位信号控制的开关，及与所述电容和开关连接的共模电平Vcm ;所述第二调节电路包括一电容；所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平VMf，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反。
7.如权利要求4所述的微机电系统，其特征在于，所述幅值电路还包括与所述第一电路组串联的一第三调节电路及一第四调节电路，其中，所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平VMf，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反；所述第四调节电路包括一受复位信号控制的开关及与所述开关连接的共模电平Vcm。
8.如权利要求4所述的微机电系统，其特征在于，所述周期实现电路包括第一支路及与所述第一支路并联的第二支路，其中， 所述第一支路包括一第五开关及与所述第五开关相连的参考电平Vcom ；所述第二支路包括一第六开关及与所述第六开关相连的地电平GND ;所述第六开关的开启信号与所述第五开关的开启信号相反。
9.如权利要求8所述的微机电系统，其特征在于， 所述第五开关的开启信号的形成电路包括:第一并联电路，所述第一并联电路包括并联的第一产生电路及第二产生电路，所述第一产生电路包括一受符号控制信号PH_Vsin控制的开关，所述受符号控制信号PH_Vsin控制的开关与一读取信号PH_RS连接；所述第二产生电路包括一受符号控制信号的反相信号PH_Vsin.控制的开关，所述受符号控制信号的反相信号PH_Vsiil.控制的开关与一读取信号的反相信号PH _ RS连接； 所述第六开关的开启信号的形成电路包括:第二并联电路，所述第二并联电路包括并联的第三产生电路及第四产生电路，所述第三产生电路包括一受符号控制信号PH_Vsin控制的开关，所述受符号控制信号PH_Vsin控制的开关与一读取信号的反相信号砰连接；所述第四产生电路包括一受符号控制信号的反相信号PH_ Vsmj:!制的开关，所述受符号控制信号的反相信号PH —Vsin控制的开关与一读取信号PH_RS连接。
10.如权利要求9所述的微机电系统，其特征在于，所述第五开关的开启信号的形成电路还包括与所述第一并联电路相连的缓冲器；所述第六开关的开启信号的形成电路还包括与所述第二并联电路相连的 缓冲器。
11.如权利要求10所述的微机电系统，其特征在于， 在符号控制信号PH_Vsin为高电平期间，当电荷放大器处于复位状态时，b端接地，a端是虚地端,两端ba的电荷为0，当电荷放大器处于读取状态时，b端接Vcom，a端是虚地端，两端ba的电荷为Vcom*Cba，从而b和a两端之间的电荷Qba相比前一个复位状态的增加了Vcom*Cba ； 在符号控制信号PH_Vsin为低电平期间，当电荷放大器处于复位状态时，b端接Vcom,a端是虚地端,两端ba的电荷为Vcom*Cba,当电荷放大器处于读取状态时,b端接GND, a端是虚地端,两端ba的电荷为0，从而b和a两端之间的电荷Qba相比前一个复位Reset状态的增加了 -Vcom*Cba ； 其中，Cba为两端ba的电容值。
12.如权利要求11所述的微机电系统，其特征在于，自测试电容阵列的输出电荷为:
13.如权利要求1~12中任一项所述的微机电系统，其特征在于，所述自测试电容阵列的数量为两个，且两个自测试电容阵列构成差分结构。
14.如权利要求13所述的微机电系统，其特征在于，所述电荷放大器、解调器及低通滤波器均为差分结构。
15.一种检测电路，其特征在于，包括:自测试电容阵列以及与所述自测试电容阵列连接的信号读取和处理模块；其中， 所述自测试电容阵列用以输出周期变化的电荷； 所述信号读取和处理模块包括:顺次连接的电荷放大器、解调器及低通滤波器；所述信号读取和处理模块用以根据所述自测试电容阵列输出的周期变化的电荷输出一电压信号，所述电压信号用以判断所述检测电路是否正常工作，完成自测试功能。
16.如权利要求15所述的检测电路，其特征在于，所述自测试电容阵列包括幅值电路和与所述幅值电路连接的周期实现电路；其中， 所述幅值电路用以产生只有正半周期变换的半周期变化电荷； 所述周期实现电路用以将只有正半周期变换的半周期变化电荷转换成正负半周期都有的周期变化电荷。
17.如权利要求16所述的检测电路，其特征在于，所述周期变化电荷包括正弦波周期变化电荷或者三角波周期变化电荷。
18.如权利要求16所述的检测电路，其特征在于，所述幅值电路包括第一电路组，所述第一电路组包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第一开关、一与所述电容相连的第二开关及与所述第二开关相连的共模电平Vcm，其中，所述第一开关的开启信号与所述第二开关的开启信号相反。
19.如权利要求18所 述的检测电路，其特征在于，多组并联的电容组中的多个电容值呈正弦波或者三角波变化，通过不同的电容组中的电容在不同时刻被选中，从而产生只有正半周期变换的半正弦波周期变化电荷或者半三角波周期变化电荷。
20.如权利要求18所述的检测电路，其特征在于，所述幅值电路还包括与所述第一电路组串联的n+1个第一调节电路、η个第二调节电路及一第三调节电路，其中，所述η为自然数，所述第一调节电路包括并联的一电容及一受复位信号控制的开关，及与所述电容和开关连接的共模电平Vcm ;所述第二调节电路包括一电容；所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平VMf，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反。
21.如权利要求18所述的检测电路，其特征在于，所述幅值电路还包括与所述第一电路组串联的一第三调节电路及一第四调节电路，其中，所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平VMf，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反；所述第四调节电路包括一受复位信号控制的开关及与所述开关连接的共模电平Vcm。
22.如权利要求18所述的检测电路，其特征在于，所述周期实现电路包括第一支路及与所述第一支路并联的第二支路，其中， 所述第一支路包括一第五开关及与所述第五开关相连的参考电平Vcom ； 所述第二支路包括一第六开关及与所述第六开关相连的地电平GND ;所述第六开关的开启信号与所述第五开关的开启信号相反。
23.如权利要求22所述的检测电路，其特征在于， 所述第五开关的开启信号的形成电路包括:第一并联电路，所述第一并联电路包括并联的第一产生电路及第二产生电路，所述第一产生电路包括一受符号控制信号PH_Vsin控制的开关，所述受符号控制信号PH_Vsin控制的开关与一读取信号PH_RS连接；所述第二产生电路包括一受符号控制信号的反相信号PH —Vsin控制的开关，所述受符号控制信号的反相信号PH_Vsin.控制的开关与一读取信号的反相信号PH_RS连接；所述第六开关的开启信号的形成电路包括:第二并联电路，所述第二并联电路包括并联的第三产生电路及第四产生电路，所述第三产生电路包括一受符号控制信号PH_Vsin控制的开关，所述受符号控制信号PH_Vsin控制的开关与一读取信号的反相信号连接；所述第四产生电路包括一受符号控制信号的反相信号PH —Vsin.控制的开关，所述受符号控制信号的反相信号PH —Vsin控制的开关与一读取信号PH_RS连接。
24.如权利要求23所述的检测电路，其特征在于，所述第五开关的开启信号的形成电路还包括与所述第一并联电路相连的缓冲器；所述第六开关的开启信号的形成电路还包括与所述第二并联电路相连的缓冲器。
25.如权利要求24所述的检测电路，其特征在于， 在符号控制信号PH_Vsin为高电平期间，当电荷放大器处于复位状态时，b端接地，a端是虚地端,两端ba的电荷为O，当电荷放大器处于读取状态时，b端接Vcom，a端是虚地端，两端ba的电荷为Vcom*Cba，从而b和a两端之间的电荷Qba相比前一个复位状态的增加了Vcom*Cba ； 在符号控制信号PH_Vsin为低电平期间，当电荷放大器处于复位状态时，b端接Vcom,a端是虚地端,两端ba的电荷为Vcom*Cba,当电荷放大器处于读取状态时,b端接GND, a端是虚地端,两端ba的电荷为0，从而b和a两端之间的电荷Qba相比前一个复位Reset状态的增加了 -Vcom*Cba ； 其中，Cba为两端ba的电容值。
26.如权利要求25所述的检测电路，其特征在于，自测试电容阵列的输出电荷为:
27.如权利要求15~26中任一项所述的检测电路，其特征在于，所述自测试电容阵列的数量为两个，且两个自测试电容阵列构成差分结构。
28.如权利要求27所述的检测电路，其特征在于，所述电荷放大器、解调器及低通滤波器均为差分结构。
【文档编号】B81B7/02GK103723673SQ201310753593
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】潘华兵, 郑泉智, 陈灿锋 申请人:杭州士兰微电子股份有限公司