電容性微機械傳感器力反饋模式接口系統的制作方法
【專利說明】電容性微機械傳感器力反饋模式接口系統
【背景技術】
[0001] 微機械慣性傳感器已變成例如手持式移動終端、相機及游戲控制器等許多消費品 的整體部分。另外，微機械慣性傳感器廣泛用于行業中的振動監測、汽車安全及穩定性控制 以及導航中。大體來說，微傳感器的讀出機構可為壓電的、壓阻的或電容性的。然而，電容 性感測的高熱穩定性及敏感性使其對廣泛范圍的應用更具吸引力。典型電容性傳感器接口 電路由電容/電壓轉換器（C/V)構成、后續接著模/數轉換器（A/D)及信號調節電路。將 傳感器及C/V并入基于2-A的力反饋環路提供許多益處，例如減小對傳感器過程及溫度 變化的敏感性、改進系統帶寬及增加動態范圍。另外，基于2-A的環路提供隱含的模/數 轉換，從而消除對獨立A/D的需要。
[0002] 電容性慣性MEMS傳感器展現二階低通傳遞函數。在一些系統中，MEMS用作2-A 環路濾波器，從而產生二階電子機械S-A環路。然而，僅依賴于MEMS作為濾波元件由于增 加的量化噪聲而產生分辨率損失。增加的量化噪聲由電子噪聲所導致的減小的有效S_ △ 環路量化器增益產生。為避免此分辨率損失，電子濾波器可引入到環路。額外電子濾波器對 于加速度計傳感器（加速度計傳感器是用于測量線性加速度的裝置）可為一階或二階的。 針對特定陀螺儀系統（陀螺儀裝置用于以度/秒為單位測量角速度），二階濾波器用于實施 可在遠離DC的噪聲傳遞函數中產生陷波的諧振器，從而產生四階調制器。
[0003] 理想上，電容性慣性MEMS傳感器將表現為具有單個諧振頻率的二階集中質量-阻 尼器-彈簧系統。然而，事實上，傳感器是具有額外寄生諧振模式的散布式元件。這些寄生 模式可導致A調制器的不穩定性。
[0004] 以下參考文獻（下文分別稱為西格（Seeger)、塞特科夫（Petkov)、埃澤奎 (Ezekwe))解決存在寄生模式的情況下的電子機械2-A環路穩定性的問題：
[0005] 在賽普拉斯（Proc)固態傳感器及致動器研討會數字科技報（2000年6月，第296 至IJ299頁）中，J.I.西格、X?蔣（Jiang)、M?克拉夫特（Kraft)及B.E?波沙（Boser)的 "感測A力反饋陀螺儀中的指狀物動態（SenseFingerDynamicsinaSigmaDelta ForceFeedbackGyroscope) '，。
[0006]V.P.塞特科夫的"用于微機械慣性傳感器的高階2-A接口 (High-order2 - AInterfaceforMicromachinedInertialSensors)'，（加州大學伯克利 分校電工程及計算機科學系：博士學位論文（2004年））。
[0007]C.D.埃澤奎的"用于高Q微機械振動速率陀螺儀的讀出技術（Readout TechniquesforHigh-MicromachinedVibratoryRateGyroscopes)'，（加州大學伯克利 分校電工程及計算機科學系：博士學位論文（2007年））。
[0008] 穩定存在高Q寄生模式的情況下的環路是挑戰性問題。根據一些看法，必須借助 適當的機械設計來解決高Q寄生模式，如僅使用電子技術是不成功的[塞特科夫]。
[0009] 在西格中，考慮二階電子機械S-A環路的穩定性且建議維持系統取樣頻率與寄 生模式頻率之間的特定關系。然而，西格專用于具有低質量因子（Q)寄生模式的二階環路 (不并入電子濾波器的環路），且不適用于較高階環路或不適用于高Q寄生模式的情形。另 一方面，在塞特科夫中，在大氣壓力下測試所述系統，借此確保充分阻尼高頻率模式。因此， 在實踐中，塞特科夫僅適用于低Q寄生模式。
[0010] 埃澤奎解決高Q寄生模式。然而，所提議解決方案使用正反饋技術，從而產生難以 設計、優化及調諧的嵌套的反饋環路。更特定來說，在埃澤奎中，采納正反饋A環路。為 避免歸因于正反饋的不穩定性，通過將偽隨機信號注入所述環路而將DC增益設定成低于 1。在DC處使DC增益低于1使所得系統不足以用于加速度計，且將其用途限制于陀螺儀， 因為此條件減小頻帶內噪聲衰減。DC增益的損失還導致在量化器之前的偏移積累，此需要 額外調節環路。所得系統由難以設計、優化及調諧的嵌套環路組成。
[0011] 圖1中展示具有前饋求和的電子四階A調制器（調制器具有四個積分器）。 此電子調制器可形成電子機械△電容性接口電路的基礎，如本文中所展示。
【發明內容】
[0012] 在存在高Q寄生模式的情況下穩定2-A電子機械環路的問題得到解決。在一個 實施例中，將二階有限脈沖響應（FIR)濾波器引入到2-A電子機械環路中穩定所述環路。 此解決方案由理論結果及經驗結果兩者支持且比其它所提議技術簡單得多。
[0013] 在另一實施例中，提供一種使用接口電路與MEMS傳感器以電子方式介接的方法， 所述MEMS傳感器及所述接口電路一起形成2-A調制器環路。根據所述方法，識別所述 MEMS傳感器的潛在寄生諧振模式，所述潛在寄生諧振模式具有頻率及質量因子。將具有根 據所述潛在寄生諧振模式的所述頻率及所述質量因子中的至少一者挑選的特性的濾波器 插入到所述A調制器環路中。
[0014] 在另一實施例中，提供一種接口電路，其用于使用接口電路與MEMS傳感器以電子 方式介接，所述MEMS傳感器及所述接口電路一起形成具有潛在寄生諧振模式的2-A調制 器環路，所述潛在寄生諧振模式由頻率及質量因子表征。所述接口電路包含：電容/電壓轉 換器；前向環路電路，其耦合到所述電容/電壓轉換器且包括量化器；反饋環路，其耦合到 所述量化器且向所述MEMS傳感器提供力反饋信號；及FIR濾波器，其插入到所述前向環路 電路中且具有根據所述寄生諧振模式的所述頻率及所述質量因子中的至少一者挑選的特 性。
[0015] 在又一實施例中，傳感器子系統包含MEMS傳感器；及接口電路，其耦合到所述MEMS傳感器，所述MEMS傳感器及所述接口電路一起形成具有潛在寄生諧振模式的2-A調 制器環路，所述潛在寄生諧振模式由頻率及質量因子表征。所述接口電路還包含：電容/電 壓轉換器；前向環路電路，其耦合到所述電容/電壓轉換器且包括量化器；反饋環路，其耦 合到所述量化器且向所述MEMS傳感器提供力反饋信號；及FIR濾波器，其插入到所述前向 環路電路中且具有根據所述寄生諧振模式的所述頻率及所述質量因子中的至少一者挑選 的特性。
【附圖說明】
[0016] 結合附圖，根據以下詳細說明，可進一步理解本發明。在圖式中：
[0017] 圖1是電子調制器的框圖。
[0018] 圖2是電子機械調制器的框圖。
[0019] 圖3是另一電子機械調制器的框圖。
[0020] 圖4是與圖3的接口電路相似的陀螺儀2-A接口電路的根軌跡曲線圖。
[0021] 圖5是與圖4有關的陀螺儀2-A接口電路的開環響應的圖式。
[0022] 圖6是具有寄生諧振模式的MEMS傳感器的傳遞函數的圖式。
[0023]圖7是在存在寄生模式的情況下的陀螺儀2-A接口系統的根軌跡曲線圖。
[0024] 圖8是在存在寄生模式的情況下的相同陀螺儀2-A接口系統的開環響應的圖 式。
[0025] 圖9是表示補償濾波器的Z域復平面中的負極點及零點的圖式。
[0026] 圖10是補償式電子機械2-A環路系統的框圖。
[0027] 圖11是另一補償式電子機械2-A環路系統的框圖。
[0028] 圖12是圖10的補償式電子機械2-A接口環路系統的根軌跡曲線圖。
[0029] 圖13是圖10的電子機械2-A環路系統的開環響應的圖式。
[0030] 圖14是MEMS陀螺儀的頻率響應的圖式。
[0031]圖15是使用圖14的其中定制濾波器起作用的MEMS陀螺儀的系統的所測量2-A 環路輸出的圖式。
【具體實施方式】
[0032] 圖2中展示電子機械調制器。MEMS傳感器S可由三個塊建模。V/F(電壓/力） 塊201產生表示由反饋電壓FB產生的靜電力的信號。I。塊203建模MEMS傳感器的定義 為輸出位移與輸入力的比率的傳遞函數。塊Kx/。205表示位移/電容增益。電容/電壓轉 換器C/V207感測歸因于輸入信號Fin的電容變化，且將其變換為可由后續電子濾波器電路 處理的電壓信號。C/V轉換器耦合到前饋電路210,所述前饋電路包含產生2-A輸出電壓 信號Out(z)的量化器（比較器）211、電子濾波器212及補償器C。（在建立電子機械環路 時，前饋電路210的前饋求和架構優于散布式反饋架構）。2 -A輸出比較器電壓形成施加 到傳感器S的V/F塊201的反饋信號FB，從而形成靜電反饋力。
[0033] 理想地，機械傳感器展現以下二階傳遞函數：
[0034]
〇)
[0035] 其中F(s)為輸入力（在陀螺儀的情形中為科里奧利（coriolis)力；或在加速度 計的情形中為歸因于輸入加速度的力），X(s)為傳感器檢驗質量的對應于輸入力的位移，m 為檢驗質量的質量，D為阻尼系數，且K為彈簧常數。因此，在電子機械2-A調制器中，機 械傳感器形成前兩個積分器且第一積分器的輸出不可存取，從而減小可實現的前饋分支的 數目。即，消除圖1中的前饋分支％。克服缺少第一積分器的可存取性及因此保持電子機 械環路穩定的一種方式是使用如圖2中所展示的一階補償器C。達成穩定性的另一方式是 使用如圖3中所圖解說明的額外反饋分支FB'。后一技術產生較少頻帶外噪聲，從而產生較 大量化器有效增益以及（因此）較好噪聲定形及較高穩定性。
[0036] 可使用眾所周知的根軌跡曲線圖來評估穩定性。圖4中展示基于圖3的架構的陀 螺儀2-A接口電路的根軌跡曲線圖。陀螺儀傳感器具有4. 2KHz的諧振頻率及20, 000Q。 盡管已挑選陀螺儀的實例，但通常分析適用于MEMS傳感器系統。根軌跡