本发明大体上涉及微机电系统(MEMS)压力传感器。更具体地说，本发明涉及MEMS压力传感器系统，所述系统具有感测元件的多惠斯通电桥(Wheatstone bridge)配置和用于组合惠斯通电桥输出信号的信号接口电路。
背景技术：
常规压阻式压力传感器由包括四个压敏电阻器的惠斯通电桥形成。这四个压敏电阻器靠近可变形膜——即振动膜——的边缘放置，此处在外部压力下应力改变较高。在四个压敏电阻器中，两个压敏电阻器定向成在外部压力施加于振动膜时增大电阻，而两个压敏电阻器定向成在施加的相同外部压力下减小电阻。因此，惠斯通电桥的输出是随着外部施加的压力改变的差分电压。
一般来说，存在两种基于惠斯通电桥的压力传感器设计。一类设计将惠斯通电桥的全部四个压敏电阻器放置在振动膜的一个边缘附近。另一类设计将惠斯通电桥的一个压敏电阻器放置在振动膜的四个边缘中的每一个边缘上。在任一配置中，电子电路检测压阻式电桥的电阻改变且输出表示外部施加的压力的电信号。
增大压力传感器的灵敏度可提供改进的分辨率，且因此产生改进的装置性能。可通过增大振动膜的横向尺寸来增大装置灵敏度。即，较大的振动膜可在给定的外部施加的压力下提供较大偏转，且在压敏电阻器位置处产生较大应力改变。压敏电阻器位置处的较大应力改变会产生较大电输出，因此增大灵敏度。然而，较大振动膜具有更脆弱的管芯/晶片、较大管芯大小/更高成本以及降低的线性度性能的缺点。
技术实现要素：
根据本发明的第一方面，提供一种用于传感器的信号接口电路，所述传感器包括彼此耦合以形成第一惠斯通电桥的第一组感测元件，所述第一惠斯通电桥被配置成产生跨越所述第一惠斯通电桥的第一和第二输出节点的第一输出电压，所述传感器进一步包括彼此耦合以形成第二惠斯通电桥的第二组感测元件，所述第二惠斯通电桥被配置成产生跨越所述第二惠斯通电桥的第三和第四输出节点的第二输出电压，且所述信号接口电路包括：
与所述第一惠斯通电桥相关联的第一开关电容器结构，所述第一开关电容器结构包括具有第一端和第二端的第一电容器、第一开关以及第二开关，所述第一开关被配置成选择性地将所述第一输出节点与所述第一电容器的所述第一端互连，所述第二开关被配置成选择性地将所述第二输出节点与所述第一电容器的所述第二端互连；以及
与所述第二惠斯通电桥相关联的第二开关电容器结构，所述第二开关电容器结构包括具有第三端和第四端的第二电容器、第三开关以及第四开关，所述第三开关被配置成选择性地将所述第三输出节点与所述第二电容器的所述第三端互连，所述第四开关被配置成选择性地将所述第四输出节点与所述第二电容器的所述第四端互连。
在一个或多个实施例中，所述信号接口电路进一步包括被配置成与所述第一和第二开关电容器结构通信的开关状态元件，所述开关状态元件被配置成使所述第一、第二、第三和第四开关切换于充电状态与读出状态之间。
在一个或多个实施例中，在所述充电状态，所述第一开关将所述第一输出节点和所述第一端互连，所述第二开关将所述第二输出节点和所述第二端互连，且所述第一输出电压对所述第一电容器进行充电；以及
在所述充电状态，所述第三开关将所述第三输出节点和所述第三端互连，所述第四开关将所述第四输出节点和所述第四端互连，且所述第二输出电压对所述第二电容器进行充电。
在一个或多个实施例中，在所述读出状态，所述第一、第二、第三和第四开关中的每个切换成将所述第一和第二惠斯通电桥与所述第一和第二电容器断开且将所述第一和第二电容器互连成串联链。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二电容器的所述串联链具有第一端部和第二端部，所述第一端部耦合到接地，且在所述第一和第二电容器的所述串联链的所述第一端部与所述第二端部之间提供读出电压。
在一个或多个实施例中，当所述第一和第二电容器互连成所述串联链时，对跨越所述第一和第二电容器的所述第一和第二输出电压进行求和以提供读出电压。
在一个或多个实施例中，所述传感器包括彼此耦合以形成第三惠斯通电桥的第三组感测元件，所述第三惠斯通电桥被配置成产生跨越所述第三惠斯通电桥的第五和第六输出节点的第三输出电压，且所述信号接口电路进一步包括：
与所述第三惠斯通电桥相关联的第三开关电容器结构，所述第三开关电容器结构包括：
第三电容器，所述第三电容器具有第五端和第六端；
第五开关，所述第五开关被配置成选择性地将所述第五输出节点与所述第三电容器的所述第五端互连；以及
第六开关，所述第六开关被配置成选择性地将所述第六输出节点与所述第三电容器的所述第六端互连。
在一个或多个实施例中，当所述第一和第二开关将所述第一惠斯通电桥与所述第一电容器互连时，所述第一输出电压对所述第一电容器进行充电；
当所述第三和第四开关将所述第二惠斯通电桥与所述第二电容器互连时，所述第二输出电压对所述第二电容器进行充电；
当所述第五和第六开关将所述第三惠斯通电桥与所述第三电容器互连时，所述第三输出电压对所述第二电容器进行充电；以及
所述第一、第二、第三、第四、第五和第六开关被配置成将所述第一、第二和第三惠斯通电桥与所述第一、第二和第三电容器断开，且将所述第一、第二和第三电容器互连成串联链以提供等效于跨越所述第一、第二和第三电容器的所述第一、第二和第三输出电压的总和的读出电压。
在一个或多个实施例中，所述第一惠斯通电桥具有第一正输入节点和第一负输入节点；
所述第二惠斯通电桥具有第二正输入节点和第二负输入节点；以及
所述传感器进一步包括互连在所述第一惠斯通电桥的所述第一正输入节点与所述第一负输入节点之间的电压源，所述电压源进一步互连在所述第二惠斯通电桥的所述第二正输入节点与所述第二负输入节点之间，且所述电压源被配置成将输入电压递送到所述第一和第二惠斯通电桥中的所述每个惠斯通电桥。
在一个或多个实施例中，所述传感器包括压力传感器，且所述第一和第二组感测元件提供于所述压力传感器的振动膜中。
在一个或多个实施例中，所述压力传感器和所述信号接口电路组合在集成压阻式变换器封装中，其中所述感测元件是压敏电阻器，且所述压力传感器与含有所述信号接口电路的专用集成电路(ASIC)直接合并。
根据本发明的第二方面，提供一种压力传感器系统，包括：
振动膜，所述振动膜跨越衬底的腔悬置；
提供于所述振动膜中的第一组感测元件，所述第一组的所述感测元件彼此耦合以形成第一惠斯通电桥，所述第一惠斯通电桥具有第一和第二输出节点；
提供于所述振动膜中的第二组感测元件，所述第二组的所述感测元件彼此耦合以形成第二惠斯通电桥，所述第二惠斯通电桥具有第三和第四输出节点；以及
信号接口电路，所述信号接口电路包括：
与所述第一惠斯通电桥相关联的第一开关电容器结构，所述第一开关电容器结构包括具有第一端和第二端的第一电容器、第一开关以及第二开关，所述第一开关被配置成选择性地将所述第一输出节点与所述第一电容器的所述第一端互连，所述第二开关被配置成选择性地将所述第二输出节点与所述第一电容器的所述第二端互连；以及
与所述第二惠斯通电桥相关联的第二开关电容器结构，所述第二开关电容器结构包括具有第三端和第四端的第二电容器、第三开关以及第四开关，所述第三开关被配置成选择性地将所述第三输出节点与所述第二电容器的所述第三端互连，所述第四开关被配置成选择性地将所述第四输出节点与所述第二电容器的所述第四端互连。
在一个或多个实施例中，所述压力传感器系统进一步包括被配置成与所述第一和第二开关电容器结构通信的开关状态元件，所述开关状态元件被配置成使所述第一、第二、第三和第四开关切换于充电状态与读出状态之间。
在一个或多个实施例中，在所述充电状态，所述第一开关将所述第一输出节点和所述第一端互连，所述第二开关将所述第二输出节点和所述第二端互连，且所述第一输出电压对所述第一电容器进行充电；
在所述充电状态，所述第三开关将所述第三输出节点和所述第三端互连，所述第四开关将所述第四输出节点和所述第四端互连，且所述第二输出电压对所述第二电容器进行充电；以及
在所述读出状态，所述第一、第二、第三和第四开关中的每个切换成将所述第一和第二惠斯通电桥与所述第一和第二电容器断开，且将所述第一和第二电容器互连成串联链。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二电容器的所述串联链具有第一端部和第二端部，所述第一端部耦合到接地，且在所述第一和第二电容器的所述串联链的所述第一端部与所述第二端部之间提供读出电压。
在一个或多个实施例中，当所述第一和第二电容器互连成所述串联链时，对跨越所述第一和第二电容器的所述第一和第二输出电压进行求和以提供读出电压。
在一个或多个实施例中，所述第一惠斯通电桥具有第一正输入节点和第一负输入节点；
所述第二惠斯通电桥具有第二正输入节点和第二负输入节点；以及
所述传感器进一步包括互连在所述第一惠斯通电桥的所述第一正输入节点与所述第一负输入节点之间的电压源，所述电压源进一步互连在所述第二惠斯通电桥的所述第二正输入节点与所述第二负输入节点之间，且所述电压源被配置成将输入电压递送到所述第一和第二惠斯通电桥中的所述每个惠斯通电桥。
在一个或多个实施例中，所述压力传感器和所述信号接口电路组合在集成压阻式变换器封装中，其中所述感测元件是压敏电阻器，且所述压力传感器与含有所述信号接口电路的专用集成电路(ASIC)直接合并。
根据本发明的第三方面，提供一种用于从具有传感器和连接到所述传感器的信号接口电路的传感器系统获得读出电压的方法，所述传感器包括彼此耦合以形成多个惠斯通电桥的多组感测元件，所述惠斯通电桥中的每个被配置成产生输出电压，且所述信号接口电路包括开关电容器结构，所述开关电容器结构中的每个开关电容器结构与所述惠斯通电桥中的每个惠斯通电桥相关联，所述方法包括：
在充电状态，将所述开关电容器结构中的每个开关电容器结构与其相关联的所述惠斯通电桥中的一个互连以对所述开关电容器结构中的所述每个开关电容器结构的电容器进行充电，所述电容器被充电到来自所述惠斯通电桥中的所述一个的所述输出电压；
在读出状态，将所述开关电容器结构中的所述每个开关电容器结构与其相关联的所述惠斯通电桥中的一个断开；
在所述读出状态，将所述开关电容器结构中的所述每个开关电容器结构的所述电容器互连成连接的电容器的串联链；以及
在所述读出状态，检测来自所述连接的电容器的所述串联链的所述读出电压，所述读出电压等效于存储在每个所述电容器中的所述输出电压的总和。
在一个或多个实施例中，所述惠斯通电桥中的所述每个惠斯通电桥产生跨越第一和第二输出节点的所述输出电压，所述开关电容器结构中的所述每个开关电容器结构包括第一开关和第二开关，每个所述电容器包括第一端和第二端，其中：
当在所述充电状态时，所述第一开关将所述第一输出节点和所述第一端互连，所述第二开关将所述第二输出节点和所述第二端互连，且由所述惠斯通电桥中的所述一个产生的所述输出电压对所述电容器进行充电；以及
当在所述读出状态时，所述第一和第二开关中的每个切换成将所述第一和第二输出节点与所述第一和第二端断开，且将所述电容器结构中的所述每个电容器结构的所述电容器互连成所述串联链以检测所述读出电压。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
附图用于进一步示出各种实施例且解释根据本发明的所有各种原理和优点，在附图中，相同附图标记贯穿不同的视图指代完全相同或功能类似的元件，各图未必按比例绘制，且附图与下文的具体实施方式一起并入本说明书并且形成本说明书的部分。
图1示出呈简化形式的压力传感器系统的侧视图；
图2示出图1的压力传感器系统的压力感测部分的俯视图；
图3示出图1的压力传感器系统的简化框图；
图4示出包括图3的压力传感器系统的多惠斯通电桥配置和信号接口电路的通用型电路图；
图5示出根据实施例的包括图2的压力感测部分24和处于充电状态的信号接口电路的电路图；以及
图6示出根据实施例的其中信号接口电路处于读出状态的图5的电路图。
具体实施方式
概括地说，本公开关于用于传感器的信号接口电路以及包括信号接口电路的压力传感器系统，就提高的灵敏度和针对制程变动的稳健性来说，所述压力传感器系统可实现增强的传感器性能。更具体地说，所述压力传感器系统包括感测元件的多惠斯通电桥配置和用于组合所述多惠斯通电桥输出信号的信号接口电路。所述信号接口电路包括开关电容器阵列和两阶段读出机构。实施惠斯通电桥的两阶段询问，包括初始查询且将个别电桥输出电压存储在存储电容器中(即，第一“充电”状态)，继而在第二“读出”状态中串行互连所述存储电容器以产生读出电压。所述读出电压是在存储电容器串联连接时产生的所有惠斯通电桥的总计输出信号。
提供本公开以进一步通过能够实现的方式解释在应用时制造和使用根据本发明的各种实施例的最佳模式。另外提供本公开以加强对发明原理和其优势的理解和了解，而非以任何方式限制本发明。本发明仅由所附权利要求书限定，所述所附权利要求书包括在发布的本申请和那些权利要求的所有等效物的未决期间所作出的任何修正。
应理解，在存在的情况下，对例如第一和第二、顶部和底部等等关系术语的使用仅用于将一个实体或动作与另一实体或动作区分开，而未必要求或暗指此类实体或动作之间的任何这种实际关系或次序。
参考图1，图1示出呈简化形式的压力传感器系统20的侧视图。总的来说，压力传感器系统20可形成为包括微机电系统(MEMS)压力感测部分24和与压力感测部分24电通信的专用集成电路(ASIC)部分26的单个管芯22。在一些配置中，管芯22可耦合到共用基底28。为简化图示，通过虚线将压力感测部分24与ASIC部分26划分开。然而，本领域的技术人员应认识到，压力感测部分24和ASIC部分26可以任何合适的配置集成(例如，压力感测部分24可形成于ASIC部分26顶部上)。因此，在所示配置中，压力传感器系统20表示集成式变换器封装，其中压力感测部分24直接与ASIC部分26合并。然而，替代实施例可涉及与相关联的ASIC管芯分开制造和封装的压力感测元件。
压力感测部分24大体上包括具有腔32的衬底30。在本文中称为振动膜34的可变形膜跨越腔32悬置。在一些实施例中，管芯22可包封于模制原料36中。因此，端口38可延伸穿过模制原料36以便将压力感测部分24的振动膜34暴露于外部施加的压力P40。在外部施加的压力40下，振动膜34变形。因此，管芯22检测提供于振动膜34中的(下文论述的)压敏电阻器的电阻改变，且输出表示外部施加的压力40的电信号。尽管示出包覆模制管芯配置，但应理解，其它配置可涉及腔封装、芯片规模封装或任何其它合适的封装。
图2示出(图1的)压力传感器系统20的压力感测部分24的俯视图。确切地说，压力感测部分24包括振动膜34，振动膜34中提供多个感测元件，例如压敏电阻器。振动膜34具有安置在振动膜34的表面46的相对侧上的第一外缘42和第二外缘44。振动膜34另外具有安置在振动膜34的表面46的相对侧上且置于第一外缘42与第二外缘44之间的第三外缘48和第四外缘50。因此，表面46由第一外缘42、第二外缘44、第三外缘48和第四外缘50包围。虚线框表示振动膜34下方的腔32的外周界。尽管示出矩形振动膜34，但在其它实施例中，振动膜34可以是圆形、卵形或任何其它合适的形状。
在腔32上方的区域边缘附近，应力水平可能更高。在所示配置中，腔32上方的区域边缘大致沿着振动膜34的周界，即，相对于振动膜34的其它区域，靠近第一外缘42、第二外缘44、第三外缘48和第四外缘50。因此，在实施例中，压力感测部分24包括多个惠斯通电桥电路。惠斯通电桥中的每个包括呈压敏电阻器形式的四个感测元件，其中所述四个压敏电阻器以靠近振动膜34的一个外缘的局域化方式放置在一起。在此例子中，第一组压敏电阻器提供于振动膜34中，接近振动膜34的第一外缘42。第一组压敏电阻器彼此耦合以形成第一惠斯通电桥52。第二组压敏电阻器提供于振动膜34中，接近振动膜34的第二外缘44。第二组压敏电阻器彼此耦合以形成第二惠斯通电桥54。类似地，第三组压敏电阻器提供于振动膜34中，接近振动膜34的第三外缘48。第三组压敏电阻器彼此耦合以形成第三惠斯通电桥56。第四组压敏电阻器提供于振动膜34中，接近振动膜34的第四外缘50。第四组压敏电阻器彼此耦合以形成第四惠斯通电桥58。
第一惠斯通电桥52、第二惠斯通电桥54、第三惠斯通电桥56和第四惠斯通电桥58中的每个与其相应的第一外缘42、第二外缘44、第三外缘48和第四外缘50大致等距。在理想配置中，振动膜34将在腔32上方居中(如图2所示)，使得第一惠斯通电桥52、第二惠斯通电桥54、第三惠斯通电桥56和第四惠斯通电桥58中的每个在振动膜34的表面46上经受大致相同的应力水平，所述应力水平响应于外部施加的压力40(图1)随与腔32的中心60的距离而变。
具体参考惠斯通电桥的结构和布置，第一惠斯通电桥52包括具有标记为R1的第一压敏电阻器64的第一支路62、具有标记为R2的第二压敏电阻器68的第二支路66、具有标记为R3的第三压敏电阻器72的第三支路70以及具有标记为R4的第四压敏电阻器76的第四支路74。第一压敏电阻器64和第四压敏电阻器76串联耦合以形成第一惠斯通电桥52的第一半。第二压敏电阻器68和第三压敏电阻器72串联耦合以形成第一惠斯通电桥52的第二半。第一惠斯通电桥52的第一半与第一惠斯通电桥52的第二半并联耦合，使得第一压敏电阻器64与第二压敏电阻器68之间的节点形成第一正输入节点78，标记为VP，且第三压敏电阻器72与第四压敏电阻器76之间的节点形成第一负输入节点80，标记为VN。根据惠斯通电桥配置，第二压敏电阻器68与第三压敏电阻器72之间的节点形成第一输出节点82，标记为SN1，且第一压敏电阻器64与第四压敏电阻器76之间的节点形成第二输出节点84，标记为SP1。相对于具体节点的命名法“第一”和下标“1”在本文中用于与第一惠斯通电桥52关联。可以很容易地观察到，第一支路62和第三支路70大体上平行于振动膜34的第一外缘42而定向。另外，第二支路66和第四支路74大体上与振动膜34的第一外缘42成法线定向，即，垂直定向。
现参考第二惠斯通电桥54，第二惠斯通电桥54包括具有标记为R7的第一压敏电阻器88的第一支路86、具有标记为R8的第二压敏电阻器92的第二支路90、具有标记为R5的第三压敏电阻器96的第三支路94以及具有标记为R6的第四压敏电阻器100的第四支路98。第一压敏电阻器88和第四压敏电阻器100串联耦合以形成第二惠斯通电桥54的第一半。第二压敏电阻器92和第三压敏电阻器96串联耦合以形成第二惠斯通电桥54的第二半。第二惠斯通电桥54的第一半与第二惠斯通电桥54的第二半并联耦合，使得第一压敏电阻器88与第二压敏电阻器92之间的节点形成第一正输入节点102，标记为VP，且第三压敏电阻器96与第四压敏电阻器100之间的节点形成第二负输入节点104，标记为VN。根据惠斯通电桥配置，第二压敏电阻器92与第三压敏电阻器96之间的节点形成第三输出节点106，标记为SN2，且第一压敏电阻器88与第四压敏电阻器100之间的节点形成第四输出节点108，标记为SP2。同样，可以很容易地观察到，第一支路86和第三支路94大体上平行于振动膜34的第二外缘44而定向。另外，第二支路90和第四支路98大体上与振动膜34的第二外缘44成法线定向，即，垂直定向。
现参考第三惠斯通电桥56，第三惠斯通电桥56包括具有标记为R9的第一压敏电阻器114的第一支路112、具有标记为R10的第二压敏电阻器118的第二支路116、具有标记为R11的第三压敏电阻器122的第三支路120以及具有标记为R12的第四压敏电阻器126的第四支路124。第一压敏电阻器114和第四压敏电阻器126串联耦合以形成第三惠斯通电桥56的第一半。第二压敏电阻器118和第三压敏电阻器122串联耦合以形成第三惠斯通电桥56的第二半。第三惠斯通电桥56的第一半与第三惠斯通电桥56的第二半并联耦合，使得第一压敏电阻器114与第二压敏电阻器118之间的节点形成第一输入节点128，标记为VP，且第三压敏电阻器122与第四压敏电阻器126之间的节点形成第二输入节点130，标记为VN。根据惠斯通电桥配置，第二压敏电阻器118与第三压敏电阻器122之间的节点形成第五输出节点132，标记为SN3，且第一压敏电阻器114与第四压敏电阻器126之间的节点形成第六输出节点134，标记为SP3。可以很容易地观察到，第一支路112和第三支路120大体上平行于振动膜34的第三外缘48(且因此垂直于第一外缘42和第二外缘44)而定向。另外，第二支路116和第四支路124大体上与振动膜34的第三外缘48成法线定向，即，垂直定向(且因此平行于第一外缘42和第二外缘44)。
第四惠斯通电桥58包括具有标记为R15的第一压敏电阻器138的第一支路136、具有标记为R16的第二压敏电阻器142的第二支路140、具有标记为R13的第三压敏电阻器146的第三支路144以及具有标记为R14的第四压敏电阻器150的第四支路148。第一压敏电阻器138和第四压敏电阻器150串联耦合以形成第四惠斯通电桥58的第一半。第二压敏电阻器142和第三压敏电阻器146串联耦合以形成第四惠斯通电桥58的第二半。第四惠斯通电桥58的第一半与第四惠斯通电桥58的第二半并联耦合，使得第一压敏电阻器138与第二压敏电阻器142之间的节点形成第一输入节点152，标记为VP，且第三压敏电阻器146与第四压敏电阻器150之间的节点形成第二输入节点154，标记为VN。根据惠斯通电桥配置，第二压敏电阻器142与第三压敏电阻器146之间的节点形成第七输出节点156，标记为SN4，且第一压敏电阻器138与第四压敏电阻器150之间的节点形成第八输出节点158，标记为SP4。同样，可以很容易地观察到，第一支路136和第三支路144大体上平行于振动膜34的第四外缘50(且因此垂直于第一外缘42和第二外缘44)而定向。另外，第二支路140和第四支路148大体上与振动膜34的第四外缘50成法线定向，即，垂直定向(且因此平行于第一外缘42和第二外缘44)。
提供图1和2中所示的配置作为例子，其中在压阻式变换器压力传感器的振动膜上的高应力位置处提供多个压阻式感测元件以形成多个惠斯通电桥。此外，压力感测部分24可直接与ASIC部分26合并以产生集成压阻式封装20。如下文将更详细地论述，多个惠斯通感测电桥电路的输出电压可组合以实现总体较高的灵敏度、改进的信噪比(SNR)性能和在制程变动稳健性方面的提高。所述多惠斯通电桥配置可在广泛多种配置中实施，其中压阻式感测元件以局域化或分布式方式互连。
现同时结合图2参考图3，图3示出包括压力传感器部分24和ASIC部分26的压力传感器系统20的简化框图。在此例子中，压力传感器部分24包括结合图1所描述的感测元件的四惠斯通电桥配置。单个电压供应器162提供标记为VIN的输入电压164，输入电压164为所有第一惠斯通电桥52、第二惠斯通电桥54、第三惠斯通电桥56和第四惠斯通电桥58供电。如具体在图4中所示，所有第一惠斯通电桥52、第二惠斯通电桥54、第三惠斯通电桥56和第四惠斯通电桥58并联连接于电压供应器162与系统接地166之间。电压供应器162还可为ASIC部分26供电。
第一惠斯通电桥52、第二惠斯通电桥54、第三惠斯通电桥56和第四惠斯通电桥58中的每个被配置成响应于振动膜34在施加的外部压力40下变形而产生输出电压，所述输出电压表示跨越每个惠斯通电桥相关联的输出节点的外部施加的压力40(图1)。由此，第一惠斯通电桥52产生跨越第一输出节点82和第二输出节点84的第一输出电压168(在图3中标记为V1)。第二惠斯通电桥54产生跨越第三输出节点106和第四输出节点108的第二输出电压170(在图3中标记为V2)。第三惠斯通电桥56产生跨越第五输出节点132和第六输出节点134的第三输出电压172(在图3中标记为V3)。并且第四惠斯通电桥58产生跨越第七输出节点156和第八输出节点158的第四输出电压174(在图3中标记为V4)。
根据实施例，ASIC部分26包括信号接口电路176，信号接口电路176包括多个开关电容器结构177和被配置成与开关电容器结构177通信的开关状态电路178。ASIC部分26可另外包括本领域的技术人员所知的由信号调节/转换块180表示的下游电路系统。信号接口电路176被配置成组合第一输出电压168、第二输出电压170、第三输出电压172和第四输出电压174以产生读出电压182，标记为VOUT。读出电压182可传达到信号调节/转换块180以供进一步处理，例如放大、滤波、转换到数字信号等等。如将在下文显而易见，开关状态电路178可以是用于以特定取样频率188使开关电容器结构177切换于充电状态184与读出状态186之间的时钟电路。
现参考图4，图4示出包括例如结合图1到3所描述的压力传感器系统的多惠斯通电桥配置和信号接口电路176的通用型电路图。图4表示用于组合来自感测元件的多惠斯通电桥配置的电压输出的通用技术。所述技术将堆叠的开关电容器阵列实施于信号接口电路176中以用于读出传感器响应。提供下文论述的后续图5和6以示出与图2的多惠斯通电桥配置相关的特定例子。
示出图4具有四组感测元件，例如压敏电阻器190，所述感测元件以合适方式耦合以形成四个惠斯通电桥192、194、196、198。应观察到，图4中包括省略号(即，三点标点符号)以指示可存在超过四个互连的惠斯通电桥。可替换的是，其它配置可具有小于四个互连的惠斯通电桥。
信号输出电路176包括多个开关电容器结构200、202、204、206。出于说明性目的，个别开关电容器结构通过不同附图标号200、202、204、206进行区别。尽管如此，应理解，对开关电容器结构200、202、204、206的论述提供最初结合图3提及的开关电容器结构177的示例实施例。
因此，第一开关电容器结构200与第一惠斯通电桥192相关联。第二开关电容器结构202与第二惠斯通电桥194相关联。第三开关电容器结构204与第三惠斯通电桥196相关联，且第四开关电容器结构206与第四惠斯通电桥198相关联。电容器结构200、202、204、206中的每个包括具有第一端210和第二端212的电容器208、第一开关214和第二开关216。第一开关214被配置成选择性地将电容器208的第一端210与惠斯通电桥192、194、196、198中的相关联惠斯通电桥的第一输出节点218互连，且第二开关216被配置成选择性地将电容器208的第二端212与惠斯通电桥192、194、196、198中的相关联惠斯通电桥的第二输出节点220互连。
惠斯通电桥192、194、196、198并联连接于电压供应器162与接地166之间。即，惠斯通电桥192、194、196、198的正输入节点222互连并且连接到电压源162。惠斯通电桥192、194、196、198的负输入节点224互连并且连接到系统接地166。当输入电压164施加于第一惠斯通电桥192的输入节点222、224之间时，标记为V1的跨越第一惠斯通电桥192的第一输出节点218和第二输出节点220的第一输出电压226响应于第一惠斯通电桥192的感测元件190的值的改变而改变。类似地，当输入电压164施加于第二惠斯通电桥194的输入节点222、224之间时，标记为V2的跨越第二惠斯通电桥194的第一输出节点218和第二输出节点220的第二输出电压232响应于第二惠斯通电桥194的感测元件190的值的改变而改变。当输入电压164施加于第三惠斯通电桥196的输入节点222、224之间时，标记为V3的跨越第三惠斯通电桥196的第一输出节点218和第二输出节点220的第三输出电压234响应于第三惠斯通电桥196的感测元件190的值的改变而改变。当输入电压164施加于第四惠斯通电桥198的输入节点222、224之间时，标记为V4的跨越第四惠斯通电桥198的第一输出节点218和第二输出节点220的第四输出电压236响应于第四惠斯通电桥198的感测元件190的值的改变而改变。由于压敏电阻器190形成于压力感测元件的振动膜中，因此当振动膜响应于外部压力40(图1)偏转时，每个压敏电阻器190的标称电阻将改变。
在实施例中，开关电容器结构200、202、204、206形成用于惠斯通电桥192、194、196、198的时分、两阶段读出电路。在由开关状态电路178(图3)驱动的在本文中称为充电状态184(图3)的第一阶段中，第一开关214和第二开关216将每个电容器208连接到惠斯通电桥192、194、196、198中与电容器208相关联的惠斯通电桥。在施加于传感器振动膜上的外部压力40下，惠斯通电桥192、194、196、198中的每个感测所得应力，且出现各自相应的跨越连接到电容器208的第一输出节点218和第二输出节点220的差分输出电压226、232、234、236。因此，开关电容器结构200、202、204、206中的每个开关电容器结构的每个电容器208充电到电压电平，即，惠斯通电桥192、194、196、198中相关联的惠斯通电桥的输出电压226、232、234、236。
一旦电容器208完全充电，开关电容器结构200、202、204、206中的每个的第一开关214和第二开关216切换到由开关状态电路178(图3)驱动的在本文中称为读出状态186(图3)的第二阶段，所述第二阶段使惠斯通电桥192、194、196、198与其相关联电容器208断开。此外，在读出状态186，电容器208连接成串联链。在读出状态186，来自电容器208的串联链的读出电压238等效于个别电桥输出电压的总和。
因此，跨越电容器208的电压，即，输出电压226、232、234、236可如下相加以将读出电压238提供到随后的放大器240：
VOUT＝V1+V2+V3+V4+...+VN (1)
其中VN表示特定设计的惠斯通电桥和相关联电容器的总数目。对于每个惠斯通电桥的感测元件和相关联电容器标称地完全相同的实施方案，读出电压238VOUT可推测为N*VN，其中VN表示来自电容器208中的个别电容器的输出电压。然而，并不要求感测元件和相关联电容器标称地完全相同的实施方案。即，其它实施方案可具有并不相同的感测元件惠斯通电桥和/或其相关联开关电容器。仍可实施开关电容器208的信号接口电路176，因为读出电压238是跨越电容器208中的每个的输出电压的总和。
现参考图5的具体例子，图5示出包括压力感测部分24和呈充电状态184的信号接口电路176的电路图。具体地说，图5示出压力感测部分24的第一惠斯通电桥52、第二惠斯通电桥54、第三惠斯通电桥56和第四惠斯通电桥58以及它们对应的第一开关电容器结构200、第二开关电容器结构202、第三开关电容器结构204和第四开关电容器结构206。
第一开关电容器结构200包括标记为C1的具有第一端210和第二端212的第一电容器208、第一开关214以及第二开关216。在充电状态184，第一开关214将第一惠斯通电桥52的第一输出节点82与第一端210互连。另外，第二开关216将第一惠斯通电桥52的第二输出节点84与第二端212互连。同样地，第二开关电容器结构202包括标记为C2的具有第一端210和第二端212的第一电容器208、第一开关214以及第二开关216。在充电状态184，第一开关214将第二惠斯通电桥54的第三输出节点106与第一端210互连。另外，第二开关216将第二惠斯通电桥54的第四输出节点108与第二端212互连。第三开关电容器结构204包括标记为C3的具有第一端210和第二端212的第一电容器208、第一开关214以及第二开关216。在充电状态184，第一开关214将第三惠斯通电桥56的第五输出节点132与第一端210互连。另外，第二开关216将第三惠斯通电桥56的第六输出节点134与第二端212互连。第四开关电容器结构206包括标记为C4的具有第一端210和第二端212的第一电容器208、第一开关214以及第二开关216。在充电状态184，第一开关214将第四惠斯通电桥58的第七输出节点156与第一端210互连。另外，第二开关216将第四惠斯通电桥58的第八输出节点158与第二端212互连。
在施加于压力感测部分24上的外部压力40(图1)下，第一惠斯通电桥52、第二惠斯通电桥54、第三惠斯通电桥56和第四惠斯通电桥58中的每个感测振动膜34(图1)上的所得应力以产生这些惠斯通电桥相应的差分输出电压168、170、172、174(V1、V2、V3、V4)。因此，第一惠斯通电桥52产生跨越第一输出节点82和第二输出节点84的第一输出电压168 V1。第二惠斯通电桥54产生跨越第三输出节点106和第四输出节点108的第二输出电压170 V2。第三惠斯通电桥56产生跨越第五输出节点132和第六输出节点134的第三输出电压172 V3。并且，第四惠斯通电桥58产生跨越第七输出节点156和第八输出节点158的第四输出电压174 V4。
因此，在充电状态184，第一开关电容器结构200、第二开关电容器结构202、第三开关电容器结构204和第四开关电容器结构206的第一开关214和第二开关216将每个电容器208连接到第一惠斯通电桥52、第二惠斯通电桥54、第三惠斯通电桥56和第四惠斯通电桥58中与电容器208相关联的惠斯通电桥。因此，第一开关电容器结构200、第二开关电容器结构202、第三开关电容器结构204和第四开关电容器结构206中的每个电容器208充电到第一惠斯通电桥52、第二惠斯通电桥54、第三惠斯通电桥56和第四惠斯通电桥58中相关联的惠斯通电桥的电压电平(例如输出电压168、170、172、174)。
现参考图6，图6示出图5的针对压力感测部分24和处于读出状态186的信号接口电路176的电路图。同样，图6示出压力感测部分24的第一惠斯通电桥52、第二惠斯通电桥54、第三惠斯通电桥56和第四惠斯通电桥58以及它们对应的第一开关电容器结构200、第二开关电容器结构202、第三开关电容器结构204和第四开关电容器结构206。一旦第一开关电容器结构200、第二开关电容器结构202、第三开关电容器结构204和第四开关电容器结构206的电容器208(C1、C2、C3、C4)在充电状态184(图5)中完全充电，则第一开关214和第二开关216切换到读出状态186。
在读出状态186，第一开关电容器结构200、第二开关电容器结构202、第三开关电容器结构204和第四开关电容器结构206中的每个的第一开关214和第二开关216切换成将第一惠斯通电桥52、第二惠斯通电桥54、第三惠斯通电桥56和第四惠斯通电桥68中的每个与其相应的电容器208(C1、C2、C3、C4)断开。另外，第一开关214和第二开关216切换成将每个电容器208(C1、C2、C3、C4)互连成串联链242。在所示串联链242中，第一电容器208(C1)的第一端210是串联链242的第一端部244且耦合到接地166。第一电容器208(C1)的第二端212连接到第二电容器208(C2)的第一端210。第二电容器208(C2)的第二端212连接到第三电容器208(C3)的第一端210。第三电容器208(C3)的第二端212连接到第四电容器208(C4)的第一端210。第四电容器208(C4)的第二端212是串联链242的第二端部246。
一般来说，在串联链242的第一端部244与第二端部246之间提供读出电压182。因此，当电容器208(C1、C2、C3、C4)互连成串联链242时，跨越电容器208(C1、C2、C3、C4)的输出电压168、170、172、174将相加且提供等效于个别输出电压168、170、172、174的总和的读出电压182。串联链242的第一端部244可耦合到放大器240的第一端248，且串联链242的第二端部246可耦合到放大器240的第二端250。因此，可提供读出电压182到放大器240。
可根据开关状态电路178(图3)的取样频率188(图3)而针对压力传感器系统20(图1)以所要取样速率重复充电状态184和读出状态186的循环。可将电容器208(C1、C2、C3、C4)的电容值选得足够高以免除可能存在的任何寄生电容，但小得足以使得时间常量(即，电容器充电或放电到其最大供应值的某一百分比内所需的时间量)不会不利地影响压力传感器系统20的取样频率188。
其中所有惠斯通电桥52、54、56、58并联地由相同电压供应器162供电的压力传感器系统20的多惠斯通电桥配置能够实现用于对感测惠斯通电桥进行偏置的典型方法。此外，惠斯通电桥52、54、56、58中的每个连接到例如系统接地166的共用电势，所述共用电势锚定惠斯通电桥52、54、56、58以达到系统稳定。另外，来自多惠斯通电桥52、54、56、58的输出电压彼此电隔离，使得输出电压之间存在极少串扰电势到没有极少串扰电势。
信号接口电路176的充电和读出接口方案提供用于对个别惠斯通电桥的电压输出进行求和的相对简单的技术。这种充电和读出接口方案可轻易地缩放到各种数量的具有完全相同或不相同配置的感测惠斯通电桥。此外，不必使用加法放大器来汇集个别电压输出，否则将需要额外功耗。
因此，本文公开实施例涉及用于传感器的信号接口电路、包括所述信号接口电路的压力传感器系统和用于增强系统性能的方法。用于传感器的信号接口电路的实施例，所述传感器包括彼此耦合以形成第一惠斯通电桥的第一组感测元件，所述第一惠斯通电桥被配置成产生跨越所述第一惠斯通电桥的第一和第二输出节点的第一输出电压，所述传感器进一步包括彼此耦合以形成第二惠斯通电桥的第二组感测元件，所述第二惠斯通电桥被配置成产生跨越所述第二惠斯通电桥的第三和第四输出节点的第二输出电压，且所述信号接口电路包括与所述第一惠斯通电桥相关联的第一开关电容器结构，所述第一开关电容器结构包括具有第一端和第二端的第一电容器、第一开关以及第二开关，所述第一开关被配置成选择性地将所述第一输出节点与所述第一电容器的所述第一端互连，所述第二开关被配置成选择性地将所述第二输出节点与所述第一电容器的所述第二端互连。所述信号接口电路进一步包括与所述第二惠斯通电桥相关联的第二开关电容器结构，所述第二开关电容器结构包括具有第三端和第四端的第二电容器、第三开关以及第四开关，所述第三开关被配置成选择性地将所述第三输出节点与所述第二电容器的所述第三端互连，所述第四开关被配置成选择性地将所述第四输出节点与所述第二电容器的所述第四端互连。
压力传感器系统的实施例包括跨越衬底的腔悬置的振动膜、提供于所述振动膜中的第一组感测元件、提供于所述振动膜中的第二组感测元件以及信号接口电路，所述第一组感测元件彼此耦合以形成第一惠斯通电桥，所述第一惠斯通电桥具有第一和第二输出节点，所述第二组感测元件彼此耦合以形成第二惠斯通电桥，所述第二惠斯通电桥具有第三和第四输出节点。所述信号接口电路包括与所述第一惠斯通电桥相关联的第一开关电容器结构，所述第一开关电容器结构包括具有第一端和第二端的第一电容器、第一开关以及第二开关，所述第一开关被配置成选择性地将所述第一输出节点与所述第一电容器的所述第一端互连，所述第二开关被配置成选择性地将所述第二输出节点与所述第一电容器的所述第二端互连。所述信号接口电路进一步包括与所述第二惠斯通电桥相关联的第二开关电容器结构，所述第二开关电容器结构包括具有第三端和第四端的第二电容器、第三开关以及第四开关，所述第三开关被配置成选择性地将所述第三输出节点与所述第二电容器的所述第三端互连，所述第四开关被配置成选择性地将所述第四输出节点与所述第二电容器的所述第四端互连。
用于从具有传感器和连接到所述传感器的信号接口电路的传感器系统获得读出电压的方法的实施例，所述传感器包括彼此耦合以形成多个惠斯通电桥的多组感测元件，所述惠斯通电桥中的每个被配置成产生输出电压，且所述信号接口电路包括开关电容器结构，所述开关电容器结构中的每个开关电容器结构与所述惠斯通电桥中的每个惠斯通电桥相关联，其中所述方法包括：在充电状态，将所述开关电容器结构中的每个开关电容器结构与其相关联的一个惠斯通电桥互连以对所述开关电容器结构中的每个开关电容器结构的电容器进行充电，所述电容器被充电到来自所述惠斯通电桥所述一个惠斯通电桥的所述输出电压；以及在读出状态，将所述开关电容器结构中的每个开关电容器结构与其相关联的一个惠斯通电桥断开。所述方法进一步包括：在所述读出状态，将所述开关电容器结构中的每个开关电容器结构的电容器互连成连接的电容器的串联链；以及在所述读出状态，检测来自所述连接的电容器的所述串联链的读出电压，所述读出电压等效于存储在每个电容器中的输出电压的总和。
就增大的灵敏度、改进的SNR性能以及在制程变动稳健性方面的提高来说，包括感测元件的多惠斯通电桥配置和信号接口电路的压力传感器系统可实现增强的传感器性能。所述信号接口电路的开关电容器阵列和两阶段充电和读出接口方案能够实现用于对多个个别惠斯通电桥的电压输出求和的相对简单的方法。此外，这种充电和读出接口方案可轻易地缩放到各种数量的具有完全相同或不相同配置的感测惠斯通电桥。另外，尽管本文所述的一个实施例涉及压力传感器系统，但信号接口电路的充电和读出接口方案能够适于包括多个电桥的其它系统，对于所述多个电桥，可组合电压输出以产生增强的信号输出。
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