循环感测设备及其使用方法

循环感测设备及其使用方法
【专利摘要】在此披露了一种循环感测设备。该循环感测设备包括一个MEMS器件，其中，该MEMS器件包括第一和第二感测电极。该循环感测设备还包括一个耦联到该第一和第二感测电极上的多路复用器、耦联到该多路复用器上的至少一个感测放大器、一个耦联到该至少一个感测放大器上的解调器、以及一个耦联到该解调器上的集成和排空电路。最后，该循环感测设备包括耦联到一个解复用器上的一个模拟数字转换器（ADC），其中，该多路复用器、该至少一个感测放大器和该解调器在可复位的放大过程中提供一条连续时间感测路径，并且其中，该集成和排空电路和该ADC提供一条离散时间处理路径。
【专利说明】循环感测设备及其使用方法
相关申请的交叉引用
[0001]本申请根据要求于2013年3月13日提交的标题为“循环陀螺仪(R0UND-R0BINGYROSCOPE)”美国临时专利申请号61/780，371的35USC.119(e)下的权益，该申请通过引用以其全文结合于此。
发明领域
[0002]本发明总体上涉及传感器，并且更具体地涉及多轴传感器的感测。
背景
[0003]多种应用中利用MEMS感测设备，如多轴陀螺仪。通常情况下，每个感测轴具有其自己的感测电路，意味着一个三轴传感器可能需要同一感测电路的三个拷贝。连续时间感测特别是这样。感测电路的重复引起更高的设备成本和尺寸，并且希望通过共享感测电路来减少成本和尺寸。本发明解决了这种需要。
概述
[0004]在此披露了一种循环感测设备。该循环感测设备包括一个MEMS器件，其中，该MEMS器件包括第一和第二感测电极。该循环感测设备还包括一个耦联到该第一和第二感测电极上的多路复用器、耦联到该多路复用器上的至少一个感测放大器、一个耦联到该至少一个感测放大器上的解调器、以及一个耦联到该解调器上的集成和排空电路。最后，该循环感测设备包括耦联到一个解复用器上的一个模拟数字转换器(ADC)，其中，该多路复用器、该至少一个感测放大器和该解调器在可复位的放大过程中提供一条连续时间感测路径，并且其中，当在该第一和第二感测电极之间进行切换时，该集成和排空电路和该ADC提供一条离散时间处理路径。
附图简要说明
[0005]图1a为循环多轴陀螺仪的一个第一实施例的框图。
[0006]图1b为循环多种陀螺仪的一个第二实施例的框图。
[0007]图2示出了该循环多轴陀螺仪的控制信号的时序图的实施例。
[0008]图3为根据一个实施例的循环多轴陀螺仪的操作方法的流程图。
[0009]图4示出了该循环陀螺仪感测路径的一部分的实施例，该路径包括一个MEMS器件、一个驱动系统、以及一个带有偏移消除电路的第一感测放大器。
详细说明
[0010]本发明总体上涉及传感器，并且更具体地涉及感测设备。以下描述被展示为使得本领域的普通技术人员能够制作和使用本发明，并且提供在专利申请及其要求的背景中。对在此描述的优选实施例和通用原理及特征作出的各种修改对本领域的技术人员而言是明显的。因此，本发明并非旨在局限于所示实施例，而是要符合与在此描述的原理和特征相一致的最广泛范围。
[0011]在所述实施例中，循环法是指其中在一定时期中对陀螺仪的每个轴进行感测的方法。循环多轴陀螺仪是指带有多轴感测和一条感测电路的陀螺仪，其中该感测电路对该陀螺仪的每个轴一次读出一个轴。通过将循环法应用到一种如三轴陀螺仪的感测设备上，会实质性地减少感测路径组件的数量。在这样做时,实质性地减少了总体芯片尺寸和成本。为了更加详细地描述本发明的特征，现在结合附图参照以下描述。
[0012]图1a为循环多轴陀螺仪10a的一个第一实施例的框图，该陀螺仪包括一个用连续时间感测框架操作的感测设备和感测电路。尽管对陀螺仪进行了描述，但本领域的普通技术人员轻易地认识到循环感测设备可以是多种感测设备。循环多轴陀螺仪10a包括一个直流电源110、一个陀螺仪MEMS器件120、一个驱动系统105、一个多路复用器115、一个第一感测放大器130、一个第二感测放大器140、一个混合器150、一条集成和排空电路160、一个模拟数字转换器(ADC) 180以及一个解复用器190。陀螺仪MEMS器件120包括一个质量块125、一个用于一个第一轴121的MEMS感测电极、一个用于一个第二轴122的MEMS感测电极、一个MEMS驱动电极123、以及一个MEMS驱动感测电极124。
[0013]该第一感测放大器130包括一个运算放大器132、一个复位开关133、一个反馈电容器134、以及一个用于正交消除的穿心电容器135。该第二感测放大器140包括一个输入电容器141、一个运算放大器142、一个复位开关143、以及一个反馈电容器144。该集成和排空电路160包括一个输入解复用器163、一个输出多路复用器164、两个集成器161和162,并且这两个集成器各自包括一个电阻器171/176、一个复位开关173/178、一个反馈电容器174/179、以及一个运算放大器172/177。
[0014]通过直流电源110将MEMS质量块125偏置在一个高电压下。驱动系统105从MEMS驱动感测电极124接收输入并通过驱动电极123驱动陀螺仪MEMS器件120在驱动频率下振荡。来自驱动器105的驱动信号Vd通过穿心电容器135馈给第一感测放大器130以便消除正交。生成时钟信号LO并将其发送至混合器150以用于感测信号解调。
[0015]循环多轴陀螺仪10a具有两个感测周期。在第一感测周期期间，多路复用器115被配置成用于从感测电极121拾取用于该第一轴的感测信号和正交信号；在第二感测周期期间，多路复用器115被配置成用于从感测电极122拾取用于该第二轴的感测信号和正交信号。这些感测信号为具有与驱动频率相等的载波频率的幅值调制信号。正交信号是具有在驱动频率下运行的基本上固定幅值的正弦信号。该正交信号的相位与这些感测信号的相位成正交关系。正交信号Vd通过穿心电容器135消除了大部分正交信号，并且剩余的那些信号被称为残余正交信号。正交信号的幅值从轴到轴可以不同，并且在每个感测期期间可以有区别地对穿心电容器135进行配置以便到达最大正交消除。该感测信号和残余正交信号通过第一和第二感测放大器130和140并且通过混合器150进行解调。时钟信号LO在驱动频率下运行并且与该感测信号基本上同相以使用于该感测信号的混合器150的增益最小化，并且鉴于其对该感测信号和LO的相位关系，基本上清除了残余正交。通过集成和排空电路160对混合器150的输出进行处理并且ADC180将将其转换成数字信号。然后该ADC输出OUTO通过解复用器190。将用于该第一轴的感测信号解复用到0UT1，并且将该第二轴解复用到0UT2。
[0016]图2示出了该循环多轴陀螺仪的控制信号的时序图的实施例。用于每个轴的操作周期是该感测信号的一个周期。如绘图，忽略了正交信号。当将信号轴设置到O时，选择该第一轴并且通过多路复用器115将感测电极121连接到第一感测放大器130上；当将信号轴设置到I时，选择该第二轴并且通过多路复用器115将感测电极122连接到第一感测放大器130上。当信号rstl为I时，复位开关133能够对第一感测放大器130进行复位。当信号rst2为I时，复位开关143能够对第二感测放大器140进行复位。在第一感测放大器130退出复位之后，将第二感测放大器140保持在复位持续某段时间，并且通过此方式当第一感测放大器130退出复位时该第二感测放大器的输入电容器141吸收从该第一感测放大器米样的偏移和噪声并且不会将其传播到输出端。
[0017]当将信号轴设置到O时，将解复用器163配置成用于将输入信号V3传递至第一集成器161。当将信号intg设置到O时，启用复位开关173，当将信号intg设置到I时，其失效，并且输入信号V3将集成到反馈电容器174上。信号LO基本上在用于该第一轴的感测信号的零交叉处从O到I转变，并且该转变还基本上对该集成周期的中期对准。通过这样做，第一集成器161对(a)接近直流的频率分量(该直流包括当该第二感测放大器退出复位时从第一和第二感测放大器130/140采样的偏移和噪声)、(b)接近该驱动频率的偶次谐波的频率分量、以及(c)残余正交信号进行平均并消除。多路复用器164被配置成用于将输出信号V5从第二集成器162传递至该ADC。在整个周期中，复位开关178是无效的，从而使得第二集成器162保存来自之前周期的集成值。解复用器190被配置成用于将ADC输出OUTO传递至0UT2。
[0018]当将信号轴设置到I时，将解复用器163配置成用于将输入信号V3传递至第二集成器162。当将信号intg设置到O时，启用复位开关178，当将信号intg设置到I时，其失效，并且输入信号V3将集成到反馈电容器179上。信号LO基本上在用于该第一轴的感测信号的零交叉处从O到I转变，并且该转变还基本上对该集成周期的中期对准。通过这样做，第一集成器162对(a)接近直流的频率分量(该直流包括当该第二感测放大器退出复位时从第一和第二感测放大器130/140采样的偏移和噪声)、(b)接近该驱动频率的偶次谐波的频率分量、以及(c)残余正交信号进行平均并消除。多路复用器164被配置成用于将输出信号V4从第一集成器161传递至该ADC。在整个周期中，复位开关173是无效的，以保存来自之前周期的集成值。解复用器190被配置成用于将ADC输出OUTO传递至0UT1。
[0019]控制信号一直重复，并且以循环的方式对来自该第一和第二轴的感测信号进行处理。信号intg和信号LO指示的集成窗口可以从轴到轴及时变化以实现单独相位对准。尽管用于每个轴的集成窗口小于对用于每个轴的信号进行处理的周期并且可以及时变化，但集成和排空电路161在每个集成过程之后的整个周期中保存该值。这使该ADC具有从轴到轴进行的一致的采样操作。
[0020]尽管图2指示每个轴的操作周期是该感测信号的一个周期，但我们可以对该概念进行延伸，而反而算作该感测信号的半个周期、该感测信号的两个周期等。
[0021]尽管这些实施例描述了 2轴操作，但其他实施例可以在不脱离如所述的范围和精神的情况下提供3轴操作或更多。
[0022]尽管这些实施例通过使用多路复用器115描述了 MEMS信号多路复用，但可以在脱离如所述的范围和精神的情况下用不同的方式实现信号多路复用。图1b示出了一个实施例，其中对第一感测放大器130进行复制从而使得不需要多路复用器115。感测放大器130a连接到MEMS电极121上，并且感测放大器130b连接到电极122上。然后通过一次仅打开一个第一感测放大器在Vl处对这些感测放大器的输出进行多路复用。本实施例的优点可以在于减少了放大器输入处的开关的数量和尺寸。
[0023]该第二感测放大器140是任选的。如果将其移除，则该混合器将仍然消除从第一感测放大器130米样的偏移和噪声。
[0024]尽管这些实施例描述了在解复用器163后面具有两个分开的输入电阻器171/176的集成和排空电路160，但在仍然保持相同功能性的同时一个集成和排空电路反而可以在解复用器163前面具有一个电阻器。
[0025]当多路复用器115被配置成用于仅从MEMS电极121或122向第一放大器130拾取信号并且多路复用器190被配置成用于仅将信号OUTO传递至OUTl或0UT2时，可以按照I轴陀螺仪容易地操作该循环陀螺仪。
[0026]图3为根据一个实施例的循环陀螺仪的操作方法的流程图。如所看到的，通过步骤301将MEMS器件偏置在一个固定电压下。通过步骤302提供第一和第二感测信号。参照图la，该第一感测信号可以是指通过MEMS电极121来自第一轴的感测信号，并且该第二感测信号可以是指通过MEMS电极122来自第二轴的感测信号。然后通过步骤304对感测放大器进行复位。此后，通过步骤306选择用于第一感测放大器进行的放大的第一感测信号。该选择与对该感测放大器进行复位并行。
[0027]此后，通过步骤308提供该第一感测信号的放大率，其开始后，在该感测放大器输出端向该第一感测信号添加一个第一采样误差。该瞬时第一感测信号、正交信号、谐波信号、MEMS噪声、和电路噪声对该第一采样误差做出贡献。然后通过步骤310对该第一感测信号和第一采样误差进行解调。通过步骤312，对该调解后的第一感测信号和调解后的第一采样误差进行平均，从而基本上消除该调解后的第一采样误差。通过步骤314使平均信号数字化。
[0028]图4示出了该循环陀螺仪感测路径的替代性实施例，该路径包括MEMS器件120、驱动系统105、以及带有偏移消除电路410的第一感测放大器130。该第一感测放大器130在循环操作过程中的一个问题在于无论何时断开复位开关133，如果至放大器130的瞬时输入信号不为零，则可以在输出端Vl采样到一个偏移。取决于对何时断开复位开关133的定时，可以采样到感测信号、正交信号中的任一项或其任意组合、以及感测/正交信号的谐波。
[0029]该采样偏移可能会引起两个问题:Ca)如果复位没有准确地与输入信号的频率对准，则该采样偏移会及时改变并且生成一个降低信噪比的音调；(b)该采样偏移消耗信号净空并且由此限制最大可测量感测信号。
[0030]关于问题(a)，对其进行以下处理:使复位率与该输入信号同步，S卩，复位率在驱动频率或驱动频率的子谐波下。在这样做时，该采样偏移在一段时间中是固定的。
[0031]关于问题(b)，可以通过偏移消除电路410对其进行处理。当放大器130在复位相位下时(复位开关133关闭)，该放大器的电压增益非常小，并且输出电压Vl接近基准电压Vref。此时打开开关412，并且跨修整电容器411以Coff (Voff - Vref )的总电荷出现一个电压(Voff - Vref )。在断开复位开关133的那一刻，关闭开关412并打开开关413。
[0032]驱动修整电容器411的Vref引起修整电容器411上的电荷转移至放大器反馈电容器134，从而在输出端Vl处产生一个等于-Coff (Voff - Vref) /Cfb的直流电压。如果正确地选择了 Voff和Coff的值，则该直流偏移可以消除由于放大器退出复位那一刻的有限输入信号引起的采样偏移，从而恢复信号净空的损失。尽管在如上所述的偏移消除电路410中使用了电压Voff和Vref，但其他实现方式是可以的，例如，使用Voffl和Voff2。
[0033]尽管上述偏移消除电路410用于单端型放大器，但该技术可以通过采用如下两组偏移消除网络而容易地扩展至差分放大器:一个用于放大器的正侧，并且另一个用于放大器的负侧。两个偏置电压(例如，Voffl和Voff2)用于将修整电容器充电至正和负电压。可以通过将该修整电容器上的电荷排空至该放大器的相对侧来实现偏移消除极性反转，并且Voffl/Voff2可以具有固定值。
[0034]应指出的是，只要其值在每次断开复位开关时是始终如一的，Voff、VofTl和Vof f 2可以是或者静电电压或者周期电压信号。基于此论据，鉴于其频率与放大器复位率相同，Voff、Voffl和Voff2可以与驱动信号Vd或其差分版Vdl和Vd2直接相关联，并且断开复位开关的那一刻接近驱动信号Vd/Vdl/Vd2的峰值。通过实现这种方式，可以除去用于提供Voff的电压缓冲器或用于提供Voffl和Voff 2的电压缓冲器。
[0035]当与传统的连续时间感测陀螺仪架构相比时，所述实施例将两条(用于2轴操作)或三条(用于3轴操作)感测路径合并成单条感测路径，其进而减少了电路面积并且降低了功耗。
[0036]与传统的离散时间陀螺仪感测架构相比，本方法适用于连续时间电路方案并且提供了:(a)更小的噪声带宽；(b)与偏置成用于能够实现更大感测信号的固定高电压质量块的使用的兼容性；(C)如穿心电容器实现的更简单正交消除方案。对于相同的功耗而言，所述实施例具有较离散时间陀螺仪具有更好的噪声性能，或对于相同的噪声性能而言，减低了功耗。
[0037]尽管已经根据所示实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员将容易地认识到，可以对这些实施例进行变化并且那些变化将在本发明的精神和范围内。相应地，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员可以作出许多修改。
【权利要求】
1.一种循环感测设备，包括: 一个MEMS器件，其中，该MEMS器件包括第一和第二感测电极； 一个耦联到该第一和第二感测电极上的多路复用器； 耦联到该多路复用器上的至少一个感测放大器； 一个耦联到该至少一个感测放大器上的解调器； 一个耦联到该解调器上的集成和排空电路；以及 耦联到一个解复用器上的一个模拟数字转换器(ADC);其中，该多路复用器、该至少一个感测放大器和该解调器在可复位的放大过程中提供一条连续时间感测路径，并且其中，当在该第一和第二感测电极之间进行切换时，该集成和排空电路和该ADC提供一条离散时间处理路径。
2.如权利要求1所述的循环感测设备，其中，该循环感测设备包括一个多轴陀螺仪。
3.如权利要求2所述的循环感测设备，进一步包括一个用于驱动该MEMS器件的驱动系统。
4.如权利要求3所述的循环感测设备，进一步包括一个耦联到该驱动系统和该至少一个感测放大器上的穿 心电容器。
5.如权利要求1所述的循环感测设备，其中，该第一感测电极在一个第一轴内进行感测，并且该第二电极在一个第二轴内进行感测。
6.如权利要求1所述的循环感测设备，其中，该至少一个感测放大器包括第一和第二感测放大器。
7.如权利要求6所述的循环感测设备，其中，该第一感测放大器包括一个耦联到该多路复用器上的第一运算放大器、一个第一复位开关和一个以反馈关系耦联到该第一运算放大器上的第一反馈电容器。
8.如权利要求6所述的循环感测设备，其中，该第二感测放大器包括一个耦联到该第一感测放大器上的输入电容器、一个稱联到该输入电容器上的第二运算放大器、一个第二复位开关和一个以反馈关系与该第二运算放大器耦联的第二反馈电容器。
9.如权利要求1所述的循环感测设备，其中，该集成和排空电路包括: 一个输入解复用器； 耦联到该输入解复用器上的一个第一和一个第二集成器；以及 一个稱联到该第一和第二集成器的一个输出端上的多路复用器。
10.如权利要求9所述的循环感测设备，其中，该第一和第二集成器中的每个集成器包括: 一个耦联到该输入解复用器上的电阻器； 一个耦联到该电阻器上的运算放大器； 一个以反馈关系耦联到该运算放大器上的复位开关；以及 一个以反馈关系与该运算放大器耦联的电容器。
11.如权利要求9所述的循环感测设备，其中，该输入解复用器包括一个电阻器，并且该第一和第二集成器中的每个集成器包括: 一个耦联到该输入解复用器上的运算放大器； 一个以反馈关系耦联到该运算放大器上的复位开关；以及一个以反馈关系与该运算放大器耦联的电容器。
12.一种用于MEMS器件的感测方法，包括以下步骤: 将该MEMS器件偏置在一个固定电压下； 提供第一和第二信号； 对该至少一个感测放大器进行复位； 选择一个第一感测信号用于由该至少一个感测放大器进行放大，其中，该选择与对该至少一个感测放大器进行复位并行； 提供该第一感测信号的放大，当其开始后，在该至少一个感测放大器的一个输出端向该第一感测信号添加一个第一采样误差； 对该第一感测信号和该第一采样误差进行解调；以及 对该调解后的第一感测信号和该调解后的第一采样误差进行平均，从而基本上消除该调解后的第一采样误差。
13.如权利要求12所述的用于MEMS器件的感测方法，进一步包括以下步骤: 使该平均信号数字化。
14.一种循环感测设备，包括: 一个MEMS器件，其中，该MEMS器件包括第一和第二感测电极； 被适配成用于选择性地耦联到该第一和第二感测电极上的多个感测放大器； 一个耦联到该多个感测放大器上的解调器； 一个耦联到该解调器上的集成和排空电路；以及 耦联到一个解复用器上的一个模拟数字转换器(ADC);其中，该解复用器、该多个感测放大器和该解调器在可复位的放大过程中提供一条连续时间感测路径，并且其中，当在该第一和第二感测电极之间进行切换时，该集成和排空电路和该ADC提供一条离散时间处理路径。
15.如权利要求14所述的循环感测设备，其中，该循环感测设备包括一个多轴陀螺仪。
16.如权利要求15所述的循环感测设备，进一步包括一个用于驱动该MEMS器件的驱动系统。
17.如权利要求16所述的循环感测设备，进一步包括一个耦联到该驱动系统和该至少一个感测放大器上的穿心电容器。
18.如权利要求14所述的循环感测设备，其中，该第一感测电极在一个第一轴内进行感测，并且该第二电极在一个第二轴内进行感测。
19.如权利要求14所述的循环感测设备，其中，该多个感测放大器包括第一和第二感测放大器。
20.如权利要求14所述的循环感测设备，其中，该多个感测放大器中的每个感测放大器包括一个耦联到该第一和第二感测电极之一上的第一运算放大器、一个第一复位开关和一个以反馈关系耦联到该第一运算放大器上的第一反馈电容器。
21.如权利要求14所述的循环感测设备，其中，该集成和排空电路包括: 一个输入解复用器； 耦联到该输入解复用器上的第一和第二集成器；以及 一个稱联到该第一和第二集成器的一个输出端上的多路复用器。
22.如权利要求21所述的循环感测设备，其中，该第一和第二集成器中的每个集成器包括: 一个耦联到该输入解复用器上的电阻器； 一个耦联到该电阻器上的运算放大器； 一个以反馈关系耦联到该运算放大器上的复位开关；以及 一个以反馈关系与该运算放大器耦联的电容器。
23.如权利要求21所述的循环感测设备，其中，该输入解复用器包括一个电阻器并且该第一和第二集成器中的每个集成器包括: 一个耦联到该输入解复用器上的运算放大器； 一个以反馈关系耦联到该运算放大器上的复位开关；以及 一个以反馈关 系与该运算放大器耦联的电容器。
【文档编号】G01C19/00GK104048656SQ201410092611
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月13日 优先权日:2013年3月13日
【发明者】德里克·舒佛, 汪柏廷 申请人:因文森斯公司