CN104949711A - 多参数传感器 - Google Patents

Abstract

公开了一种多参数传感器，包括：第一传感器，所述第一传感器的输出信号为电压信号；第二传感器，所述第二传感器的输出信号为电荷信号；第一放大器，用于放大所述第一传感器的输出信号，所述第一放大器的输出信号为电压信号；第二放大器，用于放大所述第二传感器的输出信号，所述第二放大器的输出信号为电压信号；第一选择电路；以及信号处理电路，包括过采样模数转换器和数字滤波器；所述第一选择电路根据控制信号将所述第一放大器的输出端或第二放大器的输出端连接到所述信号处理电路的输入端。通过信号处理电路的分时复用节省了电路面积。所述多参数传感器还包括数字补偿电路以提高测量准确度。

Description

多参数传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种多参数传感器。

背景技术

随着MEMS技术发展，各种各样的MEMS传感器在很多领域得到应用。在手机、PAD相关的应用中，加速度计、磁力计、压力计、温度计以及湿度计，已经逐渐成为智能手机的标配。其中，不同的传感器检测不同的环境参数，然后由各自的信号处理电路来处理传感器输出的信号。增大了电路的面积和功耗。

现有技术的传感器中不同的传感器检测不同的环境参数，然后由各自的信号处理电路来处理传感器的输出信号，浪费了电路面积，增加了功耗。

期望集成的传感器能够提供多个环境参数、具有小的面积和低的成本和功耗。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种高集成度的多参数传感器，通过分时复用信号处理电路，节省了电路面积，降低了成本。所述多参数传感器，包括：第一传感器，所述第一传感器的输出信号为电压信号；第二传感器，所述第二传感器的输出信号为电荷信号；第一放大器，用于放大所述第一传感器的输出信号，所述第一放大器的输出信号为电压信号；第二放大器，用于放大所述第二传感器的输出信号，所述第二放大器的输出信号为电压信号；第一选择电路；以及信号处理电路，包括过采样模数转换器和数字滤波器；所述第一选择电路根据控制信号将所述第一放大器的输出端或第二放大器的输出端连接到所述信号处理电路的输入端。

优选地，所述多参数传感器的一个测量周期包括第一测量子周期、第二测量子周期的至少之一；在所述第一测量子周期，所述第一选择电路将第一放大器连接信号处理电路，使得第一传感器的输出信号经过放大、模数转换和滤波生成第一数字信号；在所述第二测量子周期，所述第一选择电路将第二放大器连接信号处理电路，使得第二传感器的输出信号经过放大、模数转换和滤波生成第二数字信号。

优选地，所述第一测量子周期包括第一建立时间和第一工作时间，在所述第一建立时间内，所述过采样模数转换器不工作，在所述第一工作时间内，所述过采样模数转换器以第一过采样率进行采样；所述第二测量子周期包括第二建立时间和第二工作时间，在所述第二建立时间内，所述过采样模数转换器不工作，在所述第二工作时间内，所述过采样模数转换器以第二过采样率进行采样。

优选地，所述多参数传感器还包括数字补偿电路，所述多参数传感器的一个测量周期包括第一测量子周期和第二测量子周期，所述数字补偿电路用于根据第一数字信号对第二数字信号进行补偿或根据第二数字信号对第一数字信号进行补偿。

通过数字补偿电路实现自补偿提高测量准确度，减小误差。

优选地，所述第一传感器和第二传感器分别为MEMS传感器，所述多参数传感器制作在同一衬底上。

优选地，所述第一传感器和第二传感器分别为独立的传感器，所述第一选择电路、第一放大器、第二放大器、过采样模数转换器、数字滤波器以及数字补偿电路集成在同一芯片上，并同第一传感器和第二传感器封装在一起。

优选地，所述多参数传感器还包括：第三传感器，所述第三传感器的输出信号为电压信号；第二选择电路，所述第二选择电路根据控制信号将第一传感器或第三传感器连接到所述第一放大器。

优选地，所述多参数传感器的一个测量周期包括第一测量子周期、第二测量子周期和第三测量子周期的至少之一；在所述第一测量子周期，所述第二选择电路将所述第一传感器连接到第一放大器，第一选择电路将第一放大器连接信号处理电路，使得第一传感器的输出信号经过放大、模数转换和滤波生成第一数字信号；在所述第二测量子周期，所述第一选择电路将第二放大器连接信号处理电路，使得第二传感器的输出信号经过放大、模数转换和滤波生成第二数字信号；在所述第三测量子周期，所述第二选择电路将所述第三传感器连接到第一放大器，第一选择电路将第三放大器连接信号处理电路，使得第一传感器的输出信号经过放大、模数转换和滤波生成第三数字信号。

优选地，所述第一测量子周期包括第一建立时间和第一工作时间，在所述第一建立时间内，所述过采样模数转换器不工作，在所述第一工作时间内，所述过采样模数转换器以第一过采样率进行采样；所述第二测量子周期包括第二建立时间和第二工作时间，在所述第二建立时间内，所述过采样模数转换器不工作，在所述第二工作时间内，所述过采样模数转换器以第二过采样率进行采样；所述第三测量子周期包括第三建立时间和第三工作时间，在所述第三建立时间内，所述过采样模数转换器不工作，在所述第三工作时间内，所述过采样模数转换器以第三过采样率进行采样。

优选地，所述第一传感器为温度传感器，所述第二传感器为湿度传感器，所述第三传感器为压力传感器，所述第一放大器为电压信号放大器，所述第二放大器为电荷放大器。

优选地，第三过采样率大于第一过采样率大于第二过采样率。

优选地，所述多参数传感器的一个测量周期包括第一测量子周期。

优选地，所述多参数传感器还包括数字补偿电路；所述多参数传感器的一个测量周期还包括第二测量子周期和第三测量子周期的至少之一，所述数字补偿电路用于根据第一数字信号补偿第二数字信号和/或根据第一数字信号补偿第三数字信号。

优选地，所述过采样模数转换器为Sigma-Delta模数转换器。

本发明的多参数传感器能够节省电路面积，降低功耗，节省成本。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为本发明的第一实施例的多参数传感器的结构示意图；

图2为本发明的第二实施例的多参数传感器的结构示意图；

图3a-3d为本发明的第二实施例的多参数传感器的测量周期的时序图；

图4为本发明的第二实施例的多参数传感器的第一测量子周期、第二测量子周期和第三测量子周期的时序图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1示出了本发明的第一实施例的多参数传感器的结构示意图，多参数传感器100包括：第一传感器111、第二传感器112、第一放大器121、第二放大器122、选择电路130、过采样模数转换器140、数字滤波器150以及数字补偿电路160。

第一传感器111可以是输出信号为电压信号的任一种传感器。在本实施方式中，第一传感器111是输出信号为电压信号的温度传感器。

第一放大器121用于放大第一传感器111的输出信号以生成第一放大信号，第一放大信号为模拟电压信号。例如第一放大器121为电压信号放大器，又称连续放大器。

第二传感器112可以是输出信号为电荷信号的任一种传感器。在本实施方式中，第二传感器112是输出信号为电荷信号的湿度传感器。

第二放大器122用于放大第二传感器112的输出信号以生成第二放大信号，第二放大信号为模拟电压信号。例如第二放大器122为电荷放大器。

选择电路130根据控制信号将第一放大器121的输出端或第二放大器122的输出端连接到过采样模数转换器140。

过采样模数转换器140用于进行模数转换。数字滤波器150用于滤波。过采样模数转换器140例如为Sigma-Delta模数转换器，以远高于奈奎斯特率的采样率对输入的模拟电压信号进行采样，可以降低噪声功率在频谱范围的分布，再通过噪声整形进一步抑制带内噪声，提高信噪比。

过采样模数转换器140和数字滤波器150对第一放大信号或第二放大信号进行模数转换和滤波，以生成第一数字信号或第二数字信号。

数字补偿电路160用于根据第一数字信号对第二数字信号进行补偿或者根据第二数字信号对第一数字信号进行补偿。在本实施方式中，第二传感器112为湿度传感器，在不同的温度下，湿度传感器的输出信号幅度是不同的，具有很大的温度漂移。因此在本实施方式中需要根据第一数字信号对第二数字信号进行补偿。

多参数传感器100的一个测量周期包括第一测量子周期、第二测量子周期的至少之一。在第一测量子周期，选择电路130将第一放大器111连接过采样模数转换器140，使得第一传感器111的输出信号经过放大、模数转换和滤波生成第一数字信号；在第二测量子周期，第一选择电路130将第二放大器112连接过采样模数转换器140，使得第二传感器112的输出信号经过放大、模数转换和滤波生成第二数字信号。

第一测量子周期包括第一建立时间和第一工作时间，在第一建立时间内，过采样模数转换器140不工作，在第一工作时间内，过采样模数转换器140以第一过采样率进行采样。

第二测量子周期包括第二建立时间和第二工作时间，在第二建立时间内，过采样模数转换器140不工作，在第二工作时间内，过采样模数转换器140以第二过采样率进行采样。

在本实施方式中，多参数传感器100的一个测量周期包括第一测量子周期和第二测量子周期。在第一测量子周期中生成的第一数字信号，存储在数字补偿电路160中的寄存器中；在第二测量子周期生成第二数字信号，数字补偿电路160根据第一数字信号对第二数字信号补偿。

在优选的实施方式中，第一传感器111和第二传感器112分别为MEMS传感器，并且多参数传感器100制作在同一衬底上。

在另一个优选的实施方式中，第一传感器111和第二传感器112分别为独立的传感器，第一放大器121、第二放大器122、选择电路130、过采样模数转换器140、数字滤波器150以及数字补偿电路160集成在同一芯片上，并同第一传感器111和第二传感器112封装在一起。

第一实施例的多参数传感器100通过选择电路130实现了过采样模数转换器140和数字滤波器150的分时复用，节省了电路面积，降低了功耗。同时根据第一数字信号对第二数字信号进行补偿提高了准确度。

图2示出了本发明的第二实施例的多参数传感器的结构示意图，多参数传感器200包括：温度传感器211、压力传感器212、湿度传感器213、电荷放大器222、选择电路232、电压信号放大器221、选择电路231、过采样模数转换器240、数字滤波器250以及数字补偿电路260。

温度传感器211用于检测环境的温度，温度传感器211的输出信号为电压信号。

压力传感器212用于检测环境的大气压力，压力传感器212的输出信号为电压信号。

选择电路232根据控制信号将温度传感器211的输出端、压力传感器212的输出端之一连接到电压信号放大器221的输入端。选择电路232用于实现电压信号放大器221的分时复用。

电压信号放大器221放大温度传感器211的输出信号以产生第一放大信号或放大压力传感器212的输出信号以产生第二放大信号。电压信号放大器又称连续放大器，用于放大电压信号。

湿度传感器213用于检测环境的湿度，湿度传感器213的输出信号为电荷信号。

电荷放大器222用于放大湿度传感器213的输出信号，以产生第三放大信号。

选择电路231根据控制信号将电荷放大器222的输出端、电压信号放大器221的输出端之一连接到过采样模数转换器240的输入端。过采样模数转换器240用于模数转换。数字滤波器250用于滤波。在本实施方式中，过采样模数转换器240为Sigma-Delta模数转换器。选择电路231用于实现过采样模数转换器240、数字滤波器250和数字补偿电路260的分时复用，使得第一放大信号、第二放大信号和第三放大信号分别经过模数转换和滤波后生成第一数字信号、第二数字信号和第三数字信号。

湿度传感器213和压力传感器212本身具有一定的温度特性。相同的大气压下，在不同的环境温度下，湿度传感器213和压力传感器212输出的信号幅度是不同的。数字补偿电路260根据第一数字信号对第二数字信号和/或第三数字信号进行补偿。

图3a-3d为本发明的第二实施例的多参数传感器的测量周期的时序图，多参数传感器200的一个测量周期T至少包括第一测量子周期T1。

如图3a所示，多参数传感器200的一个测量周期T包括一个第一测量子周期T1。在第一测量子周期T1内，选择电路232将温度传感器211连接到电压信号放大器221，选择电路231将电压信号放大器221连接到过采样模数转换器240。温度传感器211的输出信号经过放大、模数转换、滤波生成第一数字信号。数字补偿电路260将第一数字信号直接输出。

如图3b所示，多参数传感器200的一个测量周期T包括第一测量子周期T1和第二测量子周期T2。

在第一测量子周期T1内，选择电路232将温度传感器211连接到电压信号放大器221，选择电路231将电压信号放大器221连接到过采样模数转换器240。温度传感器211的输出信号经过放大、模数转换、滤波生成第一数字信号。数字补偿电路260将第一数字信号存储在寄存器中。

在第二测量子周期T2内，选择电路232将压力传感器212连接到电压信号放大器221，选择电路231将电压信号放大器221连接到过采样模数转换器240。压力传感器212的输出信号经过放大、模数转换、滤波生成第二数字信号。数字补偿电路260根据第一数字信号对第二数字信号进行补偿。

如图3c所示，多参数传感器200的一个测量周期T包括第一测量子周期T1和第三测量子周期T3。

在第一测量子周期T1内，选择电路232将温度传感器211连接到电压信号放大器221，选择电路231将电压信号放大器221连接到过采样模数转换器240。温度传感器211的输出信号经过放大、模数转换、滤波生成第一数字信号。数字补偿电路260将第一数字信号存储在寄存器中。

在第三测量子周期T3内，选择电路231将电荷放大器222连接到过采样模数转换器240。湿度传感器213的输出信号经过放大、模数转换和滤波后生成第三信号。数字补偿电路260根据第一数字信号对第三数字信号进行补偿。

如图3d所示，多参数传感器200的一个测量周期包括第一测量子周期T1、第二测量子周期T2和第三测量子周期T3。

在第一测量子周期T1内，选择电路232将温度传感器211连接到电压信号放大器221，选择电路231将电压信号放大器221连接到过采样模数转换器240。温度传感器211的输出信号经过放大、模数转换、滤波生成第一数字信号。数字补偿电路260将第一数字信号存储在寄存器中。

在第二测量子周期T2内，选择电路232将压力传感器212连接到电压信号放大器221，选择电路231将电压信号放大器221连接到过采样模数转换器240。压力传感器212的输出信号经过放大、模数转换、滤波生成第二数字信号。数字补偿电路260根据第一数字信号对第二数字信号进行补偿。

在第三测量子周期T3内，选择电路231将电荷放大器222连接到过采样模数转换器240。湿度传感器213的输出信号经过放大、模数转换和滤波后生成第三信号。数字补偿电路260根据第一数字信号对第三数字信号进行补偿。

其中，多参数传感器200在一个测量周期中，可以按第一测量子周期T1、第二测量子周期T2和第三测量子周期T3的顺序进行工作，也可以按照第二测量子周期T2、第三测量子周期T3和第一测量子周期T1的顺序工作。

当按照第二测量子周期T2、第三测量子周期T3和第一测量子周期T1的顺序工作时：在第二测量子周期T2内，压力传感器212的输出信号经过放大、模数转换、滤波生成第二数字信号，并存储在数字补偿电路260的一个存储器中；在第三测量子周期T3内，湿度传感器213的输出信号经过放大、模数转换、滤波生成第三数字信号，并存储在数字补偿电路260的另一个存储器中；在第一测量子周期T1内，温度传感器211的输出信号经过放大、模数转换、滤波生成第一数字信号，数字补偿电路260根据第一数字信号对第二数字信号和第三数字信号进行补偿。

图4为本发明的第二实施例的多参数传感器的第一测量子周期、第二测量子周期和第三测量子周期的时序图，其中，ADC_CLK为过采样模数转换器240的工作时钟。

第一测量子周期T1包括建立时间TS1和工作时间TC1，在建立时间TS1内，过采样模数转换器240不工作；在工作时间TC1内，过采样模数转换器240以第一过采样率对第一放大信号采样。

第二测量子周期T2包括建立时间TS2和工作时间TC2，在建立时间TS2内，过采样模数转换器240不工作；在工作时间TC2内，过采样模数转换器240以第二过采样率对第二放大信号采样。

第三测量子周期T3包括建立时间TS3和工作时间TC3，在建立时间TS3内，过采样模数转换器240不工作；在工作时间TC3内，过采样模数转换器240以第三过采样率对第三放大信号采样。

不同的传感器，其精度需求和噪声需求是不同的，如果使用相同的信号处理电路，在处理精度需求和噪声需求低的传感器输出信号时，会造成功耗的浪费。多参数传感器200采用过采样模数转换器240，过采样模数转换器240的过采样率可调，当需要较高的精度和较高的噪声需求时，过采样模数转换器240采用较高的过采样率；当需要较低的精度和较低的噪声需求时，过采样模数转换器240采用较低的过采样率。在本实施例中，压力传感器，湿度传感器，温度传感器的精度需求和噪声需求是不同的，压力传感器的精度要求最高，湿度传感器的精度要求最低，因此在本实施例中，第二过采样率大于第一过采样率大于第三过采样率。

在优选的实施方式中，温度传感器211、压力传感器212以及湿度传感器213分别为MEMS传感器，多参数传感器200制作在同一衬底上。

在另一个优选的实施方式中，温度传感器211、压力传感器212以及湿度传感器213分别独立的传感器，选择电路232、电压信号放大器221、选择电路231、过采样模数转换器240、数字滤波器250以及数字补偿电路260集成在同一芯片上，并同温度传感器211、压力传感器212以及湿度传感器213封装在一起。

第二实施例的多参数传感器能够提供多个环境参数；通过电压信号放大器221、过采样模数转换器240、数字滤波器250以及数字补偿电路260的分时复用，减小了电路面积，降低了成本；通过调整过采样模数转换器240的过采样率同传感器匹配，提高了信噪比，降低了功耗。通过温度补偿，提高了精度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种多参数传感器，包括：

第一传感器，所述第一传感器的输出信号为电压信号；

第二传感器，所述第二传感器的输出信号为电荷信号；

第一放大器，用于放大所述第一传感器的输出信号，所述第一放大器的输出信号为电压信号；

第二放大器，用于放大所述第二传感器的输出信号，所述第二放大器的输出信号为电压信号；

第一选择电路；以及

信号处理电路，包括过采样模数转换器和数字滤波器；

所述第一选择电路根据控制信号将所述第一放大器的输出端或第二放大器的输出端连接到所述信号处理电路的输入端。

2.根据权利要求1所述的多参数传感器，其特征在于，所述多参数传感器的一个测量周期包括第一测量子周期、第二测量子周期的至少之一；

在所述第一测量子周期，所述第一选择电路将第一放大器连接信号处理电路，使得第一传感器的输出信号经过放大、模数转换和滤波生成第一数字信号；

在所述第二测量子周期，所述第一选择电路将第二放大器连接信号处理电路，使得第二传感器的输出信号经过放大、模数转换和滤波生成第二数字信号。

3.根据权利要求2所述的多参数传感器，其特征在于，所述第一测量子周期包括第一建立时间和第一工作时间，在所述第一建立时间内，所述过采样模数转换器不工作，在所述第一工作时间内，所述过采样模数转换器以第一过采样率进行采样；

所述第二测量子周期包括第二建立时间和第二工作时间，在所述第二建立时间内，所述过采样模数转换器不工作，在所述第二工作时间内，所述过采样模数转换器以第二过采样率进行采样。

4.根据权利要求3所述的多参数传感器，其特征在于，所述多参数传感器还包括数字补偿电路，所述多参数传感器的一个测量周期包括第一测量子周期和第二测量子周期，所述数字补偿电路用于根据第一数字信号对第二数字信号进行补偿或根据第二数字信号对第一数字信号进行补偿。

5.根据权利要求4所述的多参数传感器，其特征在于，所述第一传感器和第二传感器分别为MEMS传感器，所述多参数传感器制作在同一衬底上。

6.根据权利要求4所述的多参数传感器，其特征在于，所述第一传感器和第二传感器分别为独立的传感器，所述第一选择电路、第一放大器、第二放大器、过采样模数转换器、数字滤波器以及数字补偿电路集成在同一芯片上，并同第一传感器和第二传感器封装在一起。

7.根据权利要求1所述的多参数传感器，其特征在于，所述多参数传感器还包括：

第三传感器，所述第三传感器的输出信号为电压信号；

第二选择电路，所述第二选择电路根据控制信号将第一传感器或第三传感器连接到所述第一放大器。

8.根据权利要求7所述的多参数传感器，其特征在于，所述多参数传感器的一个测量周期包括第一测量子周期、第二测量子周期和第三测量子周期的至少之一；

在所述第一测量子周期，所述第二选择电路将所述第一传感器连接到第一放大器，第一选择电路将第一放大器连接信号处理电路，使得第一传感器的输出信号经过放大、模数转换和滤波生成第一数字信号；

在所述第二测量子周期，所述第一选择电路将第二放大器连接信号处理电路，使得第二传感器的输出信号经过放大、模数转换和滤波生成第二数字信号；

在所述第三测量子周期，所述第二选择电路将所述第三传感器连接到第一放大器，第一选择电路将第一放大器连接信号处理电路，使得第三传感器的输出信号经过放大、模数转换和滤波生成第三数字信号。

9.根据权利要求8所述的多参数传感器，其特征在于，所述第一测量子周期包括第一建立时间和第一工作时间，在所述第一建立时间内，所述过采样模数转换器不工作，在所述第一工作时间内，所述过采样模数转换器以第一过采样率进行采样；

所述第二测量子周期包括第二建立时间和第二工作时间，在所述第二建立时间内，所述过采样模数转换器不工作，在所述第二工作时间内，所述过采样模数转换器以第二过采样率进行采样；

所述第三测量子周期包括第三建立时间和第三工作时间，在所述第三建立时间内，所述过采样模数转换器不工作，在所述第三工作时间内，所述过采样模数转换器以第三过采样率进行采样。

10.根据权利要求9所述的多参数传感器，其特征在于，所述第一传感器为温度传感器，所述第二传感器为湿度传感器，所述第三传感器为压力传感器，所述第一放大器为电压信号放大器，所述第二放大器为电荷放大器。

11.根据权利要求10所述的多参数传感器，其特征在于，第三过采样率大于第一过采样率大于第二过采样率。

12.根据权利要求10所述的多参数传感器，其特征在于，所述多参数传感器的一个测量周期包括第一测量子周期。

13.根据权利要求12所述的多参数传感器，其特征在于，所述多参数传感器还包括数字补偿电路；所述多参数传感器的一个测量周期还包括第二测量子周期和第三测量子周期的至少之一，所述数字补偿电路用于根据第一数字信号补偿第二数字信号和/或根据第一数字信号补偿第三数字信号。

14.根据权利要求1所述的多参数传感器，其特征在于，所述过采样模数转换器为Sigma-Delta模数转换器。