用于压力传感器的力反馈环路的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开在压力传感器(pressure sensor)、例如基于MEMS的压力传感器和与之相关联的力反馈环路电路的领域中。
【背景技术】
[0002]电容式压力传感器使用可移动隔膜(diaphragm)和压力腔来创建可变电容器。可变电容器显示出与由测量压力引入的力相对应地改变的电容。
【附图说明】
[0003]图1是图示出用于压力传感器的信号处理系统的框图。
[0004]图2是图示出根据某些实施例的压力传感器系统的详细框图。
[0005]图3是图示出根据某些其它实施例的压力传感器系统的详细框图。
[0006]图4是图示出根据某些其它实施例的压力传感器系统的框图。
[0007]图5是图示出根据某些其它实施例的压力传感器系统的框图。
[0008]图6是图示出根据某些实施例的压力传感器系统的积分器级的图。
[0009]图7是图示出操作压力传感器系统的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0010]现在将参考所附的绘制图形来描述本公开，其中自始至终使用相似的参考数字来指代相似的元件，并且其中，所示结构和器件不一定按比例描绘。
[0011]在各种MEMS惯性传感器系统中利用力反馈环路且其操作以消除移动质量的位移。基于反馈信号而生成与外力相反的静电力。该静电力补偿外力并将质量保持在平衡位置上。以这种方式，使系统线性化。此外，力反馈环路使得能够实现用于系统的自测试。
[0012]公开了将力反馈环路结合到压力传感器系统中的系统和方法。力反馈环路基于测量压力而提供控制信号以控制施加于压力传感器的静电力。该静电力被连同测量压力一起施加于压力传感器，使得压力传感器的隔膜的总偏转对于不同的压力测量而言一般地是稳定的。通过将静电力与测量压力相加，改善了压力传感器系统的灵敏度，尤其是对于低压力测量而言。也简化了压力传感器系统的自测试和自校准。除控制施加于压力传感器的静电力之外，还将控制信号作为压力传感器系统的输出信号来处理。输出信号指示测量压力，并且可以馈送到后续级中的处理器和/或显示器。在某些实施例中，隔膜的总偏转等于或大于由单独的最大压力引起的偏转。
[0013]图1是图示出信号处理系统100的框图。系统100测量源力132并基于测量源力而生成输出信号124。
[0014]系统100包括输入级102、力反馈环路122和力函数142。输入级102测量源力132并响应于测量的源力132而生成电容信号104。力反馈环路122接收电容信号104并基于电容信号104而生成输出信号124和反馈信号120。力函数142基于反馈信号120而生成静电力130。将静电力130与源力132组合以生成整体力134。在某些实施例中，针对不同的源力测量由反馈信号120将整体力134控制为恒定的。其生成的整体电容也是如此。该整体电容具有稳定值，其可以由包括在力反馈环路122中的可编程目标电容器决定。
[0015]特别地，对于实施例中公开的闭环系统100而言，整体电容与测量的源力无关。当将要测量新的不同源力时，整体电容基于该时刻的新源力而改变并生成电容信号104。基于电容信号104而连续地生成输出信号124和反馈信号120。然后，反馈信号120控制静电力130，使得整体力及其所得到的整体电容变回到稳定值。
[0016]在某些实施例中，系统100可以是压力传感器系统。输入级102可以是压力传感器，并且测量源力132可以是压力。整体电容由压力传感器的隔膜的总偏转生成。该总偏转基于整体力134。反馈信号120可以是提供用于电容压力测量结果的偏置的反馈驱动电压。
[0017]图2示出了图示出根据某些实施例的压力传感器系统200的更详细框图。应认识到的是可以通过使用编程和/或工程技术而产生软件、固件、硬件或其任何组合来实施下面公开的系统200的部件。
[0018]压力传感器系统200包括压力传感器102和力反馈环路122。压力传感器102测量压力并基于测量压力而生成传感器信号。力反馈环路122接收传感器信号并基于该传感器信号而生成输出信号204和反馈信号120。基于反馈信号120而生成静电力130并将其与测量压力132组合以生成整体力134。压力传感器102可以包括电容器，其包括对面板(counter plate)和作为力收集器的可移动隔膜。隔膜的偏转136由施加于隔膜的整体力134生成，并且通过测量电容器的整体电容来测量。由力反馈环路122响应于传感器信号来调整反馈信号120，使得隔膜的偏转与测量压力无关。由整体力134 (即，源力和静电力)引起的整体电容等于或大于最大测量压力(最大源力)可以在压力传感器上引起的电容。在某些实施例中，可以将压力传感器系统集成在微机电系统(MEMS)中。可以在单个管芯或者某些分开的管芯上制造系统200。
[0019]仍参考图2，在某些实施例中，压力传感器102包括拉普拉斯传递函数部件144、静电力生成函数部件142和描述压力传感器102的动态行为的测量函数部件146。静电力130取决于反馈信号120和偏转136。测量函数部件146基于偏转136而生成整体电容。反馈信号120可以是施加于输入级102的反馈驱动电压，其包括静电力生成函数部件142和测量函数部件146。可以由电容和驱动反馈电压120的乘积来生成测量电荷138。然后，在求和节点处将测量电荷138与目标电荷152相比较。在某些实施例中，由电容性数模转换器(CDAC) 148对目标电荷152进行编程。在某些实施例中，通过对电容器网络进行编程来设置目标电容。在该实施例中，可以由反馈驱动电压120来提供CDAC的偏压。然后，将测量电荷138与目标电荷152之间的电荷差154转换成数字信号202并反馈到控制器214中。控制器214可以是比例积分导数(proport1nal-1ntegral-derivate) (PID)控制器或状态空间控制器，其处理电荷差信号并生成控制输出信号204。在处理之后采用控制输出信号204来生成新的静电力，使得在将新的静电力130馈送到压力传感器102之后电荷差154变成零。还将数字控制输出信号204作为压力传感器系统200的数字输出信号输出。为了提供足够的偏压以生成适当的静电力，在一个实施例中，由数模转换器(DAC) 216将控制输出信号204转换成电压信号208且然后由放大器218放大成新驱动反馈电压120。在某些实施例中，驱动反馈电压120大于系统200的供应电压。可以应用电荷泵作为放大器218。
[0020]在图2中所示的实施例中，例如，在CMOS技术中，将电荷差154转换成数字信号202。在某些其它实施例中，也可以将电荷差转换成模拟信号。图3示出了图示出压力传感器系统300的框图，其中，将电荷差154转换成模拟信号302且然后由模拟控制器314处理。将电压信号304作为输出信号输出并由放大器318放大以生成反馈驱动电压120。
[0021]图4示出了图示出根据某些其它实施例的压力传感器系统的另一框图。在图4中，在通过缓冲器412之后由电压信号208来提供CDAC 148的偏压402而不是如图2中所示由反馈驱动电压120提供。当测量的传感器电容相对小时可以利用这些实施例。用来完成比较的目标电容可由电容器网络提供，并且目标电容不能太小。通过施加用于CDAC 148的较小偏压402，扩展了测量传感器电容的范围。当反馈驱动电压120大于在CDAC 148中使用的电容器的电压柔量(voltage compliance)时，也可以利用这些实施例。此外，其可以在其中用于反馈的时钟比用于传感器桥的开关偏置的时钟更快的机构(setup)中使用。在这种情况下，可以以其比放大器更快地对反馈网络充电的方式来实施驱动器。
[0022]图5示出了图示出根据某些其它实施例的压力传感器系统500的框图，其中，在系统的控制环路中利用模拟和数字部分。
[0023]将静电力130与测量压力132组合以生成整体力134。整体力134通过传递函数部件144而引起隔膜的偏转136。偏转136通过测量函数部件146来影响测量电容并通过静电力生成函数部件142来影响静电力130。可以用平行板电容器的简化物理模型来描述此过程。然后将测量电容乘以反馈驱动电压120来生成测量电荷138。将测量电荷138与由电容性数模转换器(CDAC) 148编程的目标电荷152相比较。CDAC 148的偏置526可以由反馈驱动电压120或被放大之前的电压信号提供。然后，由模拟控制器512来处理测量电荷138与目标电荷152之间的电荷差154。在一个实施例中，模拟控制器512可以是积分器。模拟控制器512还可以包括第一积分器级和具有内插字符的第二模拟级。在一个实施例中，第一积分器级具有比控制环路的