电容性微机械传感器力反馈模式接口系统的制作方法
【专利说明】电容性微机械传感器力反馈模式接口系统
【背景技术】
[0001] 微机械惯性传感器已变成例如手持式移动终端、相机及游戏控制器等许多消费品 的整体部分。另外，微机械惯性传感器广泛用于行业中的振动监测、汽车安全及稳定性控制 以及导航中。大体来说，微传感器的读出机构可为压电的、压阻的或电容性的。然而，电容 性感测的高热稳定性及敏感性使其对广泛范围的应用更具吸引力。典型电容性传感器接口 电路由电容/电压转换器（C/V)构成、后续接着模/数转换器（A/D)及信号调节电路。将 传感器及C/V并入基于2-A的力反馈环路提供许多益处，例如减小对传感器过程及温度 变化的敏感性、改进系统带宽及增加动态范围。另外，基于2-A的环路提供隐含的模/数 转换，从而消除对独立A/D的需要。
[0002] 电容性惯性MEMS传感器展现二阶低通传递函数。在一些系统中，MEMS用作2-A 环路滤波器，从而产生二阶电子机械S-A环路。然而，仅依赖于MEMS作为滤波元件由于增 加的量化噪声而产生分辨率损失。增加的量化噪声由电子噪声所导致的减小的有效S_ △ 环路量化器增益产生。为避免此分辨率损失，电子滤波器可引入到环路。额外电子滤波器对 于加速度计传感器（加速度计传感器是用于测量线性加速度的装置）可为一阶或二阶的。 针对特定陀螺仪系统（陀螺仪装置用于以度/秒为单位测量角速度），二阶滤波器用于实施 可在远离DC的噪声传递函数中产生陷波的谐振器，从而产生四阶调制器。
[0003] 理想上，电容性惯性MEMS传感器将表现为具有单个谐振频率的二阶集中质量-阻 尼器-弹簧系统。然而，事实上，传感器是具有额外寄生谐振模式的散布式元件。这些寄生 模式可导致A调制器的不稳定性。
[0004] 以下参考文献（下文分别称为西格（Seeger)、塞特科夫（Petkov)、埃泽奎 (Ezekwe))解决存在寄生模式的情况下的电子机械2-A环路稳定性的问题：
[0005] 在赛普拉斯（Proc)固态传感器及致动器研讨会数字科技报（2000年6月，第296 至IJ299页）中，J.I.西格、X?蒋（Jiang)、M?克拉夫特（Kraft)及B.E?波沙（Boser)的 "感测A力反馈陀螺仪中的指状物动态（SenseFingerDynamicsinaSigmaDelta ForceFeedbackGyroscope) '，。
[0006]V.P.塞特科夫的"用于微机械惯性传感器的高阶2-A接口 (High-order2 - AInterfaceforMicromachinedInertialSensors)'，（加州大学伯克利 分校电工程及计算机科学系：博士学位论文（2004年））。
[0007]C.D.埃泽奎的"用于高Q微机械振动速率陀螺仪的读出技术（Readout TechniquesforHigh-MicromachinedVibratoryRateGyroscopes)'，（加州大学伯克利 分校电工程及计算机科学系：博士学位论文（2007年））。
[0008] 稳定存在高Q寄生模式的情况下的环路是挑战性问题。根据一些看法，必须借助 适当的机械设计来解决高Q寄生模式，如仅使用电子技术是不成功的[塞特科夫]。
[0009] 在西格中，考虑二阶电子机械S-A环路的稳定性且建议维持系统取样频率与寄 生模式频率之间的特定关系。然而，西格专用于具有低质量因子（Q)寄生模式的二阶环路 (不并入电子滤波器的环路），且不适用于较高阶环路或不适用于高Q寄生模式的情形。另 一方面，在塞特科夫中，在大气压力下测试所述系统，借此确保充分阻尼高频率模式。因此， 在实践中，塞特科夫仅适用于低Q寄生模式。
[0010] 埃泽奎解决高Q寄生模式。然而，所提议解决方案使用正反馈技术，从而产生难以 设计、优化及调谐的嵌套的反馈环路。更特定来说，在埃泽奎中，采纳正反馈A环路。为 避免归因于正反馈的不稳定性，通过将伪随机信号注入所述环路而将DC增益设定成低于 1。在DC处使DC增益低于1使所得系统不足以用于加速度计，且将其用途限制于陀螺仪， 因为此条件减小频带内噪声衰减。DC增益的损失还导致在量化器之前的偏移积累，此需要 额外调节环路。所得系统由难以设计、优化及调谐的嵌套环路组成。
[0011] 图1中展示具有前馈求和的电子四阶A调制器（调制器具有四个积分器）。 此电子调制器可形成电子机械△电容性接口电路的基础，如本文中所展示。
【发明内容】
[0012] 在存在高Q寄生模式的情况下稳定2-A电子机械环路的问题得到解决。在一个 实施例中，将二阶有限脉冲响应（FIR)滤波器引入到2-A电子机械环路中稳定所述环路。 此解决方案由理论结果及经验结果两者支持且比其它所提议技术简单得多。
[0013] 在另一实施例中，提供一种使用接口电路与MEMS传感器以电子方式介接的方法， 所述MEMS传感器及所述接口电路一起形成2-A调制器环路。根据所述方法，识别所述 MEMS传感器的潜在寄生谐振模式，所述潜在寄生谐振模式具有频率及质量因子。将具有根 据所述潜在寄生谐振模式的所述频率及所述质量因子中的至少一者挑选的特性的滤波器 插入到所述A调制器环路中。
[0014] 在另一实施例中，提供一种接口电路，其用于使用接口电路与MEMS传感器以电子 方式介接，所述MEMS传感器及所述接口电路一起形成具有潜在寄生谐振模式的2-A调制 器环路，所述潜在寄生谐振模式由频率及质量因子表征。所述接口电路包含：电容/电压转 换器；前向环路电路，其耦合到所述电容/电压转换器且包括量化器；反馈环路，其耦合到 所述量化器且向所述MEMS传感器提供力反馈信号；及FIR滤波器，其插入到所述前向环路 电路中且具有根据所述寄生谐振模式的所述频率及所述质量因子中的至少一者挑选的特 性。
[0015] 在又一实施例中，传感器子系统包含MEMS传感器；及接口电路，其耦合到所述MEMS传感器，所述MEMS传感器及所述接口电路一起形成具有潜在寄生谐振模式的2-A调 制器环路，所述潜在寄生谐振模式由频率及质量因子表征。所述接口电路还包含：电容/电 压转换器；前向环路电路，其耦合到所述电容/电压转换器且包括量化器；反馈环路，其耦 合到所述量化器且向所述MEMS传感器提供力反馈信号；及FIR滤波器，其插入到所述前向 环路电路中且具有根据所述寄生谐振模式的所述频率及所述质量因子中的至少一者挑选 的特性。
【附图说明】
[0016] 结合附图，根据以下详细说明，可进一步理解本发明。在图式中：
[0017] 图1是电子调制器的框图。
[0018] 图2是电子机械调制器的框图。
[0019] 图3是另一电子机械调制器的框图。
[0020] 图4是与图3的接口电路相似的陀螺仪2-A接口电路的根轨迹曲线图。
[0021] 图5是与图4有关的陀螺仪2-A接口电路的开环响应的图式。
[0022] 图6是具有寄生谐振模式的MEMS传感器的传递函数的图式。
[0023]图7是在存在寄生模式的情况下的陀螺仪2-A接口系统的根轨迹曲线图。
[0024] 图8是在存在寄生模式的情况下的相同陀螺仪2-A接口系统的开环响应的图 式。
[0025] 图9是表示补偿滤波器的Z域复平面中的负极点及零点的图式。
[0026] 图10是补偿式电子机械2-A环路系统的框图。
[0027] 图11是另一补偿式电子机械2-A环路系统的框图。
[0028] 图12是图10的补偿式电子机械2-A接口环路系统的根轨迹曲线图。
[0029] 图13是图10的电子机械2-A环路系统的开环响应的图式。
[0030] 图14是MEMS陀螺仪的频率响应的图式。
[0031]图15是使用图14的其中定制滤波器起作用的MEMS陀螺仪的系统的所测量2-A 环路输出的图式。
【具体实施方式】
[0032] 图2中展示电子机械调制器。MEMS传感器S可由三个块建模。V/F(电压/力） 块201产生表示由反馈电压FB产生的静电力的信号。I。块203建模MEMS传感器的定义 为输出位移与输入力的比率的传递函数。块Kx/。205表示位移/电容增益。电容/电压转 换器C/V207感测归因于输入信号Fin的电容变化，且将其变换为可由后续电子滤波器电路 处理的电压信号。C/V转换器耦合到前馈电路210,所述前馈电路包含产生2-A输出电压 信号Out(z)的量化器（比较器）211、电子滤波器212及补偿器C。（在建立电子机械环路 时，前馈电路210的前馈求和架构优于散布式反馈架构）。2 -A输出比较器电压形成施加 到传感器S的V/F块201的反馈信号FB，从而形成静电反馈力。
[0033] 理想地，机械传感器展现以下二阶传递函数：
[0034]
〇)
[0035] 其中F(s)为输入力（在陀螺仪的情形中为科里奥利（coriolis)力；或在加速度 计的情形中为归因于输入加速度的力），X(s)为传感器检验质量的对应于输入力的位移，m 为检验质量的质量，D为阻尼系数，且K为弹簧常数。因此，在电子机械2-A调制器中，机 械传感器形成前两个积分器且第一积分器的输出不可存取，从而减小可实现的前馈分支的 数目。即，消除图1中的前馈分支％。克服缺少第一积分器的可存取性及因此保持电子机 械环路稳定的一种方式是使用如图2中所展示的一阶补偿器C。达成稳定性的另一方式是 使用如图3中所图解说明的额外反馈分支FB'。后一技术产生较少频带外噪声，从而产生较 大量化器有效增益以及（因此）较好噪声定形及较高稳定性。
[0036] 可使用众所周知的根轨迹曲线图来评估稳定性。图4中展示基于图3的架构的陀 螺仪2-A接口电路的根轨迹曲线图。陀螺仪传感器具有4. 2KHz的谐振频率及20, 000Q。 尽管已挑选陀螺仪的实例，但通常分析适用于MEMS传感器系统。根轨迹