电容性微机械传感器力反馈模式接口系统

摘要

以力反馈模式操作电容性传感器具有许多益处，例如改进的带宽以及对过程及温度变化的较低敏感性。为克服电容性反馈中的电压与力的关系的非线性，通常使用双电平反馈信号。因此，单位Σ-Δ调制器表示实施电容性传感器接口电路的实际方式。然而，高Q传感器(在真空中操作)中存在的高Q寄生模式导致Σ-Δ环路的稳定性问题，且因此限制Σ-Δ技术对此类传感器的适用性。提供允许在存在高Q寄生模式的情况下稳定所述Σ-Δ环路的解决方案。所述解决方案适用于电容性传感器的基于低阶或高阶Σ-Δ的接口。

说明书

背景技术

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Σ-Δ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Σ-Δ的环路提供隐含的模/数转换，从而消除对独立A/D的需要。

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Σ-Δ环路滤波器，从而产生二阶电子机械Σ-Δ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Σ-Δ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。

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Σ-Δ调制器的不稳定性。

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Σ-Δ环路稳定性的问题：

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到299页)中，J.I.西格、X.蒋(Jiang)、M.克拉夫特(Kraft)及B.E.波沙(Boser)的“感测Σ-Δ力反馈陀螺仪中的指状物动态(Sense Finger Dynamics in a Sigma Delta Force FeedbackGyroscope)”。

V.P.塞特科夫的“用于微机械惯性传感器的高阶Σ-Δ接口(High-orderΣ-ΔInterfacefor Micromachined Inertial Sensors)”(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))。

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 Techniques forHigh-Micromachined Vibratory Rate Gyroscopes)”(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))。

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]。

在西格中，考虑二阶电子机械Σ-Δ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。

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Σ-Δ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。

图1中展示具有前馈求和的电子四阶Σ-Δ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Σ-Δ电容性接口电路的基础，如本文中所展示。

发明内容

在存在高Q寄生模式的情况下稳定Σ-Δ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Σ-Δ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。

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Σ-Δ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Σ-Δ调制器环路中。

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Σ-Δ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。

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Σ-Δ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

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：

图1是电子调制器的框图。

图2是电子机械调制器的框图。

图3是另一电子机械调制器的框图。

图4是与图3的接口电路相似的陀螺仪Σ-Δ接口电路的根轨迹曲线图。

图5是与图4有关的陀螺仪Σ-Δ接口电路的开环响应的图式。

图6是具有寄生谐振模式的MEMS传感器的传递函数的图式。

图7是在存在寄生模式的情况下的陀螺仪Σ-Δ接口系统的根轨迹曲线图。

图8是在存在寄生模式的情况下的相同陀螺仪Σ-Δ接口系统的开环响应的图式。

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。

图10是补偿式电子机械Σ-Δ环路系统的框图。

图11是另一补偿式电子机械Σ-Δ环路系统的框图。

图12是图10的补偿式电子机械Σ-Δ接口环路系统的根轨迹曲线图。

图13是图10的电子机械Σ-Δ环路系统的开环响应的图式。

图14是MEMS陀螺仪的频率响应的图式。

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Σ-Δ环路输出的图式。

具体实施方式

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。H_mec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K_x/c 205表示位移/电容增益。电容/电压转换器C/V 207感测归因于输入信号F_in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Σ-Δ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)。Σ-Δ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。

理想地，机械传感器展现以下二阶传递函数：

$>H_{mech}=\frac{x\left(x\right)}{F\left(s\right)}=\frac{\frac{1}{m}}{s^2+\frac{D}{m}s+\frac{K}{m}}=\frac{1}{s^2+\frac{Q}{w_0}s+w_0^2}.---\left(1\right)$>

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Σ-Δ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a₁。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。

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Σ-Δ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。根轨迹图解说明两对复极点，每一极点由“X”表示。一对负极点CP1是归因于传感器的机械滤波器，且另一对负极点CP2由Σ-Δ调制器的电子滤波器形成。根轨迹还图解说明四个补偿零点CZ1到CZ4，每一补偿零点由“O”表示。在不存在寄生高频率模式的情况下，系统是稳定的，条件是有效量化器增益(K)大于0.4775(-6.42dB)，图3的陀螺仪Σ-Δ接口电路中满足此条件。图5中展示相同系统的开环响应，其标绘为高达频率f_s/2，其中f_s为所述系统的取样频率。电子滤波器除了形成处于4.2KHz的机械谐振器以外还形成具有等于3.47KHz的频率的谐振器(复极点对)(注意，图5中的x轴是以弧度/秒而非Hz为单位)，且所述系统在44.7度的相位裕量的情况下是稳定的以用于整体量化器增益。

开环量值响应的0-dB交叉点必须在图5的使所述系统稳定的相位响应的区域B中发生。区域A处的0-dB交叉点针对相位裕量产生负值，且因此导致不稳定性。大体来说，如果0-dB交叉点处的相位移位不等于或超过180度，那么反馈系统是稳定的。

在不存在高Q寄生谐振模式的情况下，图3的系统是稳定的。然而，当存在高Q寄生谐振模式时，危害稳定性。假设单个寄生模式，MEMS的传递函数可如下建模：

其中ω_P是寄生模式的频率。图6中展示所得传递函数。尽管实际陀螺仪可具有许多寄生谐振模式，但考虑具有一个寄生模式的假设性陀螺仪。在实际MEMS陀螺仪或加速度计中，将寄生高频率模式群集，其中结果为考虑单个寄生谐振模式的补偿解决方案仍稳定所述系统，如下文所描述。图7及图8中分别展示在80-KHz下在存在寄生模式的情况下陀螺仪Σ-Δ接口系统的根轨迹曲线图及开环响应。如图8中所见，所得系统是不稳定的，这是因为寄生模式引入额外0-dB交叉点，其中在所述额外交叉点中的一者处，相位裕量为负值。如果环路增益经减少以使寄生模式的峰值低于0dB，那么负相位裕量0-dB点在另一频率下出现。如果寄生模式为低Q而非高Q，那么可不导致量值响应与0-dB交叉，且因此可不导致不稳定性。

大体来说，在具有寄生模式的情况下，引入对Σ-Δ环路的额外滤波来消除或衰减寄生谐振模式增加了系统阶数且使已不稳定系统的稳定性降级，除非以考虑系统原始极点及零点且允许恢复系统稳定性的方式引入额外极点及零点的特定布置。特定来说，如图9中所图解说明，与量值γ一起引入一对负零点CZ1'及CZ2'，根据寄生模式质量因子及取决于寄生模式频率的角度θ来调整量值γ。然而，复零点在离散时间系统中在物理上不可实现。因此，必须添加额外的两个极点P1、P2。为避免这些极点更改复零点的响应产生，在z域(z＝0)的原点处添加这两个极点，如图9中所展示。所引入极点及零点由以下表示：

所引入极点及零点的所得传递函数为FIR性质。注意，使用例如巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、椭圆或贝塞尔(Bessel)或具有有限脉冲响应(IIR)性质的其数字实现等标准模拟滤波器将极点引入到系统，所述极点使稳定性降级，如先前所提及。

参考图10，展示包含具有前述特性的定制FIR滤波器1001的补偿式电子机械Σ-Δ环路系统。图11中展示另一实施例，其中定制FIR滤波器1101直接放置于环路比较器1103之前。在此情形中，滤波器1101除了充当补偿器之外也提供反馈定形。

图12及图13中分别展示使用在z域的原点处建立有复零点及极点的滤波器来稳定的陀螺仪Σ-Δ接口系统的根轨迹曲线图及开环响应。如图13中所见，补偿式系统是稳定的且与其中在不存在寄生模式的情形中具有-6.42dB的增益裕量相比具有-3.26dB的增益裕量。图13中的圆圈突出显示了在补偿之前寄生模式的位置。

陀螺仪测试平台经建构以证实在存在寄生高Q模式的情况下电子机械Σ-Δ调制器的稳定。测试平台主要由与MEMS传感器介接的C/V构成，后续接着A/D转换器、现场可编程门阵列(FPGA)及致动数/模转换器。FPGA实施Σ-Δ环路滤波器及FIR块。A/D-FPGA布置提供所需要灵活性以用于测试稳定性。图14中展示与测试平台一起使用的MEMS陀螺仪的频率响应且通过将伪随机致动顺序应用于MEMS传感器且在其检测电极处测量MEMS电容信号而确定所述频率响应。MEMS传感器具有接近于4-KHz的主谐振模式及大约80-KHz的许多寄生高Q模式的群集器。图15中展示其中定制FIR滤波器起作用的所测量Σ-Δ环路输出，展示在存在以80-KHz群集的一群寄生模式的情况下的稳定操作及适当Σ-Δ噪声定形。测量展示，所达成的稳定性对MEMS过程及温度变化是稳健的。测试平台达成+/-100度/s输入信号范围及1m度/s/√Hz的噪声基底。

实际MEMS传感器具有可导致基于Σ-Δ的反馈力反馈系统的不稳定性的寄生模式。如已描述，在一个实施例中，可通过插入位于Z域原点处的一对复零点及两个极点来稳定此类系统。稳定性分析(根轨迹曲线图及开环响应的稳定性裕量)指示稳定运算。此稳定方法比现有埃泽奎方法简单得多。另外，所提议解决方案并不限于二阶及低Q寄生模式，如西格的设计推荐的情形。测试平台用以证实在存在高Q模式的情况下的稳定运算。测试平台展示，解决方案在存在围绕特定频率群集的若干个寄生模式的情况下稳定ΣΔ电子机械环路。