CN103713155A - Mems传感装置及包含该mems传感装置的电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MEMS传感装置及包含该MEMS传感装置的电子设备，该传感装置包括：MEMS机械装置，具有至少一个检测轴，产生至少一个加速度信号，每个加速度信号分别与相应的检测轴检测到的加速度相关联；电压转换电路，接收所述加速度信号并将其转换为电压信号；滤波模块，与所述电压转换电路的输出端相连，对所述电压信号进行滤波；信号检测电路，与所述滤波模块的输出端相连，对所述滤波模块的输出信号进行检测并根据该输出信号的幅度产生自动休眠信号或唤醒信号。本发明有利于减少系统处理单元的处理工作，提高效率，降低成本。

Description

MEMS传感装置及包含该MEMS传感装置的电子设备

技术领域

本发明涉及MEMS传感器技术，尤其涉及一种MEMS传感装置及包含该MEMS传感装置的电子设备。

背景技术

微机电系统(MEMS,Microelectro Mechanical Systems)技术目前已经得到了广泛关注和应用。MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，MEMS传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

智能手机、平板电脑、游戏控制器、数码相机以及个人导航设备等消费电子产品的应用越来越广泛。消费者对手势识别、方位感知、单点轻敲、双点轻敲、自由落体、晃动等实时运动检测功能的需求越来越多，这也导致了MEMS加速度计的集成成为一种趋势。

随着电子设备功能越来越强大，相应的工作和待机功耗也越来越大，大容量的电池也无法满足消费者的需求。因此，降低设备的工作和待机功耗，成为设计者的一项重要目标。

为了解决以上问题，本发明旨在提供一种检测方法，降低设备的待机功耗，同时提供多种工作模式，降低MEMS传感装置的工作功耗，在精度要求低的时候，降低工作速率，从而降低工作功耗。

现有技术中，MEMS传感器通常和外部的系统处理单元配合使用，MEMS传感器直接输出加速度信号，由系统处理单元通过软件等方式来处理移动或静止检测，以在待机状态和正常工作状态之间切换。

但是，采用上述方法，系统处理单元的处理任务负担较重，效率较低。而且由于系统处理单元需要频繁地检测移动或静止状态，这也增加了一部分功耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种MEMS传感装置及包含该MEMS传感装置的电子设备，有利于减少系统处理单元的处理工作，提高效率，降低成本。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种MEMS传感装置，包括：

MEMS机械装置，具有至少一个检测轴，产生至少一个加速度信号，每个加速度信号分别与相应的检测轴检测到的加速度相关联；

电压转换电路，接收所述加速度信号并将其转换为电压信号；

滤波模块，与所述电压转换电路的输出端相连，对所述电压信号进行滤波；

信号检测电路，与所述滤波模块的输出端相连，对所述滤波模块的输出信号进行检测并根据该输出信号的幅度产生自动休眠信号或唤醒信号。

根据本发明的一个实施例，所述检测轴和加速度信号的数量为多个，所述MEMS传感装置还包括：多路选择电路，所述多路选择电路将所述多个加速度信号以分时复用的方式传输至所述电压转换电路。

根据本发明的一个实施例，所述滤波模块包括：

A/D转换电路，将所述电压信号转换为数字信号；

数字低通滤波器，与所述A/D转换电路的输出端相连，对所述数字信号进行低通滤波；

数字高通滤波器，与所述数字低通滤波器的输出端相连，对所述数字低通滤波器的输出信号进行高通滤波。

根据本发明的一个实施例，所述数字低通滤波器为级联积分梳状滤波器。

根据本发明的一个实施例，所述数字低通滤波器包括：

第一传输模块；

下抽样器，其输入端与所述第一传输模块的输出端相连；

第二传输模块，其输入端与所述下抽样器的输出端相连；

其中，该第一传输模块包括多个级联的第一传输节点，该第一传输节点包括：

加法器单元，其第一输入端为该第一传输节点的输入端，其输出端为该第一传输节点的输出端；

一阶延迟单元，其输入端与该加法器单元的输出端相连，其输出端与所述加法器的第二输入端相连；

该第二传输模块包括多个级联的第二传输节点，该第二传输节点包括：

减法器单元，其第一输入端为该第二传输节点的输入端，其输出端为该第二传输节点的输出端；

M阶延迟单元，其输入端与该减法器单元的第一输入端相连，其输出端与该减法器单元的第二输入端相连，其中M为正整数。

根据本发明的一个实施例，所述下抽样器具有通讯接口，用于设置该下抽样器的下抽样因子。

根据本发明的一个实施例，所述数字高通滤波器为数字高通巴特沃斯滤波器。

根据本发明的一个实施例，所述数字高通滤波器包括：

减法器单元，其第一输入端接收输入信号；

加法器单元，其第一输入端连接所述减法器单元的输出端；

一阶延迟单元，其输入端连接所述加法器单元的输出端，其输出端连接所述加法器单元的第二输入端；

第一增益单元，其输入端连接所述一阶延迟单元的输出端，其输出端连接所述减法器单元的第二输入端，该第一增益单元的增益为（1-α）；

第二增益单元，其输入端连接所述减法器单元的输出端，该第二增益单元的增益为（1+α）/2；

其中α为预设的常数。

根据本发明的一个实施例，所述信号检测电路包括：

自动休眠检测电路，默认产生自动休眠信号，若所述滤波模块的输出信号大于预设的加速度阈值，则终止该自动休眠信号；终止该自动休眠信号后开始计数，计数超过第一计数阈值后重新检测该滤波模块的输出信号，若检测到的输出信号小于该预设的加速度阈值，则恢复输出该自动休眠信号；

唤醒生成电路，若所述滤波模块的输出信号大于该预设的加速度阈值则开始计数，否则计数产生的计数值递减，并且该计数值超过第二计数阈值后产生该唤醒信号。

本发明还提供了一种电子设备，包括上述任一项所述的MEMS传感装置以及与其相连的系统处理单元，所述MEMS传感装置和系统处理单元基于所述自动休眠信号自动休眠，所述系统处理单元基于所述唤醒信号执行预设的操作。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例的MEMS传感装置中内置电压转换电路、滤波模块和信号检测电路，能够在系统处理单元不干预的情况下，自行检测到移动或者静止状态，并将相应的唤醒信号或者自动休眠信号传输至系统处理单元，使得系统处理单元正常工作或者进入休眠待机状态，从而降低整个电子设备的功耗和自身的待机功耗。在低功耗工作模式下，MEMS传感装置以及系统处理单元的功耗可以小到几微安级别。

附图说明

图1是本发明实施例的电子设备的结构框图；

图2是本发明实施例的MEMS传感装置的结构框图；

图3是本发明实施例的MEMS传感装置中数字低通滤波器的结构示意图；

图4是本发明实施例的MEMS传感装置中数字高通滤波器的结构示意图；

图5是本发明实施例的MEMS传感装置中自动休眠检测电路的工作流程示意图；

图6是本发明实施例的MEMS传感装置中唤醒生成电路的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参考图1，本实施例的电子设备1a包括MEMS传感装置1c和系统处理单元1b。其中，MEMS传感装置1c用于产生自动休眠信号或唤醒信号，该自动休眠信号用于使得系统处理单元1b进入休眠状态，以降低功耗；该唤醒信号用于将系统处理单元1b从休眠状态唤醒，以进入正常工作状态并执行相应的操作。

参考图2，本实施例的MEMS传感装置包括：MEMS机械装置2a、多路选择电路2b、电压转换电路2c、滤波模块21以及信号检测电路22。

其中，MEMS机械装置2a具有至少一个检测轴，产生至少一个加速度信号，每个加速度信号分别与相应的检测轴检测到的加速度相关联。作为一个非限制性的例子，该MEMS机械装置2a可以使用半导体工艺制作的传感器，具有三个检测轴X、Y和Z，这三个检测轴X、Y、Z分别检测相互垂直的三个方向的加速度，并且产生三个加速度信号Ax，Ay和Az，每个加速度信号与沿着各自的检测轴所检测到的加速度线性相关。加速度信号Ax，Ay和Az例如可以是差分信号。

在MEMS机械装置2a具有多个检测轴的情况下，为了减小芯片面积，可以利用多路选择电路2b按照分时复用的方式，对各个检测轴对应的加速度信号进行分时选通，将其分时地传输至后级电路。例如，在本实施例中，多路选择电路2b通过分时复用的方式，在每个时间选择其中一个检测轴对应的加速度信号。

电压转换电路2c将多路选择电路2b输出的加速度信号转换为电压信号Va。该电压转换电路2c例如可以是电荷放大电路。

电压转换电路2c输出的电压信号传输至滤波模块21进行滤波。作为一个优选的实施例，滤波模块21可以包括A/D转换电路2d、数字低通滤波器2e和数字高通滤波器2f。

其中，电压信号Va经过A/D转换电路2d进行模拟/数字转换，再经过多路选择分别得到三个检测轴的加速度数字信号Ax1、Ay1、Az1。加速度数字信号Ax1、Ay1、Az1通过数字低通滤波器2e低通滤波，得到加速度数字信号Ax2、Ay2、Az2，目的是滤除不必要的高频噪声，得到更高的精度。加速度数字信号Ax2、Ay2、Az2通过数字高通滤波器2f进行高通滤波，可以得到变化的加速度数字信号Ax3、Ay3、Az3，滤除低频噪声。需要说明的是，数字低通滤波器2e和数字高通滤波器2f的通带范围有交叉，以避免有效信号被滤除。静止状态下，加速度数字信号Ax3、Ay3、Az3等于0或者接近于0。而在各种运动状态下，加速度数字信号Ax3、Ay3、Az3通常具有远大于0的数值。

信号检测电路22对滤波模块21的输出信号进行检测，也就是对该输出信号的幅度进行判断，并根据判断结果产生自动休眠信号或唤醒信号。作为一个优选的实施例，信号检测电路22可以包括自动休眠检测电路2g和唤醒生成电路2i。

其中，自动休眠检测电路2g可以对变化的加速度数字信号Ax3、Ay3、Az3进行判断，假如设备处于静止状态，则产生自动休眠信号2h。自动休眠信号2h可以使得整个MEMS传感装置自动进入低功耗工作状态，减小加速度检测频率，从而减小芯片待机功耗；并且可以使得与该MEMS传感装置相连的系统处理单元1b（图1）进入低功耗的休眠待机状态；假如设备处于非静止状态，则MEMS传感装置保持正常工作状态，保证加速度信号的有效检测。唤醒生成电路2i根据变化的加速度数字信号Ax3、Ay3、Az3进行判断，假如设备处于移动状态，则产生唤醒信号2j，以使得系统处理单元1b（图1）根据不同场合执行相应的操作，做出相应的动作。

图3是本实施例中的数字低通滤波器的实现框图。该数字低通滤波器可以采用有限脉冲响应(FIR)类型，也可以采用无限脉冲响应(IIR)类型来实现。本实施例中的数字低通滤波器采用级联积分梳状(CIC)滤波器来实现。

进一步而言，该滤波器包括相连的第一传输模块、下抽样器3c以及第二传输模块。其中，第一传输模块包括多个级联的第一传输节点，每个第一传输节点包括加法器单元3a和一阶延迟单元3b，加法器单元3a的第一输入端为第一传输节点的输入端，加法器单元3a的输出端为该第一传输节点的输出端；一阶延迟单元3b的输入端与加法器单元3a的输出端相连；一阶延迟单元3b的输出端与加法器3a的第二输入端相连。第二传输模块包括多个级联的第二传输节点，每个第二传输节点包括减法器单元3d和M阶延迟单元3e，减法器单元3d的第一输入端为第二传输节点的输入端，减法器单元3d的输出端为该第二传输节点的输出端；M阶延迟单元3e的输入端与该减法器单元3d的第一输入端相连，M阶延迟单元3e的输出端与减法器单元3d的第二输入端相连，其中M为正整数。第一传输模块和第二传输模块的节点数量可以是K个，K为正整数。

该级联积分梳状(CIC)滤波器的传输函数可以表示为：

$H\left(z\right)={\left(\frac{1-z^{-\mathrm{RM}}}{1-z^{-1}}\right)}^K$

该级联积分梳状滤波器的优点是运算高效，结构简单，可以进行速率变化，同时可以保证抗混叠的有效实现。作为一个优选的实施例，选择M=1，K=2；下抽样器3c的下抽样因子R可以通过外部通讯接口设置。通过改变下抽样因子R，可以改变系统的速率和频率响应曲线。

参考图4，图4是本实施例的数字高通滤波器的实现框图。对于移动和静止检测来说，数字滤波器相位响应的线性并不是主要问题，而IIR滤波器比FIR滤波器有更高的计算效率，因此本实施例中优选采用IIR结构的滤波器来实现。3dB截止频率为Ω_C的一阶模拟高通巴特沃斯滤波器的传输函数：

$H_{\mathrm{HP}}\left(s\right)=\frac{s}{s+{\mathrm{\Ω}}_C}$

同时，从Z平面上的一点映射到s平面上一点的双线性变换公式为：

$s=\frac{2}{T}\left(\frac{1-z^{-1}}{1+z^{-1}}\right)$

对传输函数H_HP(s)应用上述双线性变换，可得到一阶数字高通巴特沃斯滤波器的传输函数：

$G_{\mathrm{HP}}\left(z\right)=\frac{1+\mathrm{\α}}{2}\left(\frac{1-z^{-1}}{1-\mathrm{\α}{z}^{-z}}\right)$

其中

$\mathrm{\α}=\frac{1-\frac{{\mathrm{\Ω}}_{C}T}{2}}{1+\frac{{\mathrm{\Ω}}_{C}T}{2}}$

更加具体而言，数字高通滤波器包括：减法器单元4a、加法器单元4b、一阶延迟单元4c、第一增益单元4d、第二增益单元4e。其中，减法器单元4a的第一输入端接收输入信号；加法器单元4b的第一输入端连接减法器单元4a的输出端；一阶延迟单元4c的输入端连接加法器单元4a的输出端，一阶延迟单元4c的输出端连接加法器单元4a的第二输入端；第一增益单元4d的输入端连接一阶延迟单元4c的输出端，第一增益单元4d的输出端连接减法器单元4a的第二输入端，第一增益单元4d的增益为（1-α）；第二增益单元4e的输入端连接减法器单元4a的输出端，该第二增益单元4e的增益为（1+α）/2。

通过改变增益，就可以改变频率响应曲线。对于快速变化的信号，可以提高高通滤波器的截止频率；对于慢速变化的信号，可以降低高通滤波器的截止频率。对于静止信号，通过数字高通滤波器后，相应的加速度信号等于0或接近于0。三个检测轴可以有各自独立的滤波环路，由于数据是分时处理的，因此滤波器的各个数据计算单元是可以复用的。

需要说明的是，图3和图4给出的仅是数字低通滤波器和数字高通滤波器的优选结构，本领域技术人员应当理解，其他适当类型和结构的滤波器也是适用的。

参考图5，图5示出了本实施例的自动休眠检测电路的工作流程示意图，其主要目的是在低功耗模式下，降低工作速度；在正常模式下，保持较高的工作速率，保证足够高的精度，并能够快速响应。加速度阈值用来判断加速度变化的大小，第一计数阈值用来判断自动休眠信号终止后何时再重新开始自动休眠检测电路的工作流程。

具体而言，步骤5a：判断加速度阈值和第一计数阈值（例如可以通过外部串行接口设置），若为0，则不进入自动休眠工作状态，系统停留在5a步骤，若不为0，则生成自动休眠信号，系统进入低速低功耗模式，根据相位分别选择变化的加速度数字信号Ax3、Ay3、Az3，进入步骤5b；步骤5b：判断变化的加速度数字信号Ax3、Ay3、Az3其中之一是否大于预设的加速度阈值，若是，则进入步骤5c，并且自动休眠信号终止，MEMS传感装置进入正常工作模式，若否，则返回步骤5a；步骤5c：工作一个周期，计数器加1，并进入步骤5d；步骤5d：判断计数器是否大于预设的第一计数阈值，若是，进入步骤5a，若否，进入步骤5c。系统处理单元可以根据不同的应用场合，设置不同加速度阈值和计数器阈值，从而达到最佳的效果。

参考图6，图6是本实施例的唤醒生成电路的工作流程示意图。预设的加速度阈值用来判断加速度变化的大小，第二计数阈值用来判断是否产生唤醒信号。

具体而言，步骤6a：根据相位分别选择变化的加速度数字信号Ax3、Ay3、Az3；步骤6b：判断变化的加速度数字信号Ax3、Ay3、Az3其中之一是否大于预设的加速度阈值，若是，则进入步骤6c，若否，则进入步骤6d；步骤6c：计数器加1，进入步骤6e；步骤6d：计数器减1(假如计数器已经为0，就不再减1)，并进入步骤6a；步骤6e：判断计数器是否大于预设的第二计数阈值，若是，进入步骤6f，若否，进入步骤6a；步骤6f：产生唤醒信号。其中，加速度阈值和计数器阈值的设定是为了防止误触发。系统处理单元可以根据不同的应用场合，设置不同加速度阈值和计数器阈值，达到最佳的效果。

需要说明的是，以上实施例中的MEMS机械装置是以三个检测轴，每个检测轴输出一路加速度信号为例进行说明的，但本领域技术人员应当理解，该MEMS机械装置的结构并不限于此，相应地，多路选择电路、自动休眠检测电路、唤醒生成电路等各个模块也并不限于仅对三路加速度信号的处理。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，只是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单的修改、等同的变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种MEMS传感装置，其特征在于，包括：

MEMS机械装置，具有至少一个检测轴，产生至少一个加速度信号，每个加速度信号分别与相应的检测轴检测到的加速度相关联；

电压转换电路，接收所述加速度信号并将其转换为电压信号；

滤波模块，与所述电压转换电路的输出端相连，对所述电压信号进行滤波；

信号检测电路，与所述滤波模块的输出端相连，对所述滤波模块的输出信号进行检测并根据该输出信号的幅度产生自动休眠信号或唤醒信号。

2.根据权利要求1所述的MEMS传感装置，其特征在于，所述检测轴和加速度信号的数量为多个，所述MEMS传感装置还包括：

多路选择电路，所述多路选择电路将所述多个加速度信号以分时复用的方式传输至所述电压转换电路。

3.根据权利要求1所述的MEMS传感装置，其特征在于，所述滤波模块包括：

A/D转换电路，将所述电压信号转换为数字信号；

数字低通滤波器，与所述A/D转换电路的输出端相连，对所述数字信号进行低通滤波；

数字高通滤波器，与所述数字低通滤波器的输出端相连，对所述数字低通滤波器的输出信号进行高通滤波。

4.根据权利要求3所述的MEMS传感装置，其特征在于，所述数字低通滤波器为级联积分梳状滤波器。

5.根据权利要求4所述的MEMS传感装置，其特征在于，所述数字低通滤波器包括：

第一传输模块；

下抽样器，其输入端与所述第一传输模块的输出端相连；

第二传输模块，其输入端与所述下抽样器的输出端相连；

其中，该第一传输模块包括多个级联的第一传输节点，该第一传输节点包括：

加法器单元，其第一输入端为该第一传输节点的输入端，其输出端为该第一传输节点的输出端；

一阶延迟单元，其输入端与该加法器单元的输出端相连，其输出端与所述加法器的第二输入端相连；

该第二传输模块包括多个级联的第二传输节点，该第二传输节点包括：

减法器单元，其第一输入端为该第二传输节点的输入端，其输出端为该第二传输节点的输出端；

M阶延迟单元，其输入端与该减法器单元的第一输入端相连，其输出端与该减法器单元的第二输入端相连，其中M为正整数。

6.根据权利要求5所述的MEMS传感装置，其特征在于，所述下抽样器具有通讯接口，用于设置该下抽样器的下抽样因子。

7.根据权利要求3所述的MEMS传感装置，其特征在于，所述数字高通滤波器为数字高通巴特沃斯滤波器。

8.根据权利要求7所述的MEMS传感装置，其特征在于，所述数字高通滤波器包括：

减法器单元，其第一输入端接收输入信号；

加法器单元，其第一输入端连接所述减法器单元的输出端；

一阶延迟单元，其输入端连接所述加法器单元的输出端，其输出端连接所述加法器单元的第二输入端；

第一增益单元，其输入端连接所述一阶延迟单元的输出端，其输出端连接所述减法器单元的第二输入端，该第一增益单元的增益为（1-α）；

第二增益单元，其输入端连接所述减法器单元的输出端，该第二增益单元的增益为（1+α）/2；

其中α为预设的常数。

9.根据权利要求1所述的MEMS传感装置，其特征在于，所述信号检测电路包括：

自动休眠检测电路，默认产生自动休眠信号，若所述滤波模块的输出信号大于预设的加速度阈值，则终止该自动休眠信号；终止该自动休眠信号后开始计数，计数超过第一计数阈值后重新检测该滤波模块的输出信号，若检测到的输出信号小于该预设的加速度阈值，则恢复输出该自动休眠信号；

唤醒生成电路，若所述滤波模块的输出信号大于该预设的加速度阈值则开始计数，否则计数产生的计数值递减，并且该计数值超过第二计数阈值后产生该唤醒信号。

10.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的MEMS传感装置以及与其相连的系统处理单元，所述MEMS传感装置和系统处理单元基于所述自动休眠信号自动休眠，所述系统处理单元基于所述唤醒信号执行预设的操作。

Images