CN105009422A - 电容性微机械传感器力反馈模式接口系统 - Google Patents

电容性微机械传感器力反馈模式接口系统 Download PDF

Info

Publication number
CN105009422A
CN105009422A CN201480011355.9A CN201480011355A CN105009422A CN 105009422 A CN105009422 A CN 105009422A CN 201480011355 A CN201480011355 A CN 201480011355A CN 105009422 A CN105009422 A CN 105009422A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sigma
loop
filter
delta modulator
mems sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201480011355.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105009422B (zh
Inventor
艾曼·伊斯梅尔
艾哈迈德·叶利舍纳威
艾哈迈德·穆赫塔尔
艾曼·埃尔萨伊德
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Goodix Technology Co Ltd
Original Assignee
SI Ware Systems Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SI Ware Systems Inc filed Critical SI Ware Systems Inc
Publication of CN105009422A publication Critical patent/CN105009422A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105009422B publication Critical patent/CN105009422B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M3/00—Conversion of analogue values to or from differential modulation
    • H03M3/30—Delta-sigma modulation
    • H03M3/322—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters
    • H03M3/368—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters of noise other than the quantisation noise already being shaped inherently by delta-sigma modulators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/038—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using permanent magnets, e.g. balances, torsion devices
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/16—Constructional details or arrangements
    • G06F1/1613—Constructional details or arrangements for portable computers
    • G06F1/1633—Constructional details or arrangements of portable computers not specific to the type of enclosures covered by groups G06F1/1615 - G06F1/1626
    • G06F1/1684—Constructional details or arrangements related to integrated I/O peripherals not covered by groups G06F1/1635 - G06F1/1675
    • G06F1/1694—Constructional details or arrangements related to integrated I/O peripherals not covered by groups G06F1/1635 - G06F1/1675 the I/O peripheral being a single or a set of motion sensors for pointer control or gesture input obtained by sensing movements of the portable computer
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0346—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of the device orientation or free movement in a 3D space, e.g. 3D mice, 6-DOF [six degrees of freedom] pointers using gyroscopes, accelerometers or tilt-sensors
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/038—Control and interface arrangements therefor, e.g. drivers or device-embedded control circuitry
    • G06F3/0383—Signal control means within the pointing device
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/48—Servo-type converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00—Microstructural systems or auxiliary parts thereof
    • B81B2207/03—Electronic circuits for micromechanical devices which are not application specific, e.g. for controlling, power supplying, testing, protecting
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/04—Generating or distributing clock signals or signals derived directly therefrom
    • G06F1/10—Distribution of clock signals, e.g. skew
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00—Networks using active elements
    • H03H11/02—Multiple-port networks
    • H03H11/04—Frequency selective two-port networks
    • H03H11/0422—Frequency selective two-port networks using transconductance amplifiers, e.g. gmC filters
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00—Networks using active elements
    • H03H11/02—Multiple-port networks
    • H03H11/04—Frequency selective two-port networks
    • H03H11/12—Frequency selective two-port networks using amplifiers with feedback
    • H03H11/1291—Current or voltage controlled filters
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H19/00—Networks using time-varying elements, e.g. N-path filters
    • H03H19/004—Switched capacitor networks
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K5/00—Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
    • H03K5/13—Arrangements having a single output and transforming input signals into pulses delivered at desired time intervals
    • H03K5/133—Arrangements having a single output and transforming input signals into pulses delivered at desired time intervals using a chain of active delay devices
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/66—Digital/analogue converters
    • H03M1/74—Simultaneous conversion
    • H03M1/80—Simultaneous conversion using weighted impedances
    • H03M1/802—Simultaneous conversion using weighted impedances using capacitors, e.g. neuron-mos transistors, charge coupled devices
    • H03M1/804—Simultaneous conversion using weighted impedances using capacitors, e.g. neuron-mos transistors, charge coupled devices with charge redistribution
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M3/00—Conversion of analogue values to or from differential modulation
    • H03M3/30—Delta-sigma modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M3/00—Conversion of analogue values to or from differential modulation
    • H03M3/30—Delta-sigma modulation
    • H03M3/39—Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators
    • H03M3/412—Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution
    • H03M3/422—Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution having one quantiser only
    • H03M3/43—Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution having one quantiser only the quantiser being a single bit one

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

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。

Description

电容性微机械传感器力反馈模式接口系统
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。Hmec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/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 m e c h = x ( x ) F ( s ) = 1 m s 2 + D m s + K m = 1 s 2 + Q w 0 s + w 0 2 . - - - ( 1 )
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fs/2，其中fs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ωP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。

Claims (18)

1.一种使用接口电路与MEMS传感器以电子方式介接的方法，所述MEMS传感器与所述接口电路一起形成Σ-Δ调制器环路，所述方法包括：
识别所述Σ-Δ调制器环路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。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述滤波器为FIR滤波器。
3.根据权利要求3所述的方法，其中所述FIR滤波器经配置以便在复平面中由位于原点处的一对复零点及一对极点来表示。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述滤波器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两者挑选的特性。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过在所述Σ-Δ调制器环路的前馈环路部分与所述Σ-Δ调制器环路的反馈部分之间提供反馈分支而增加所述Σ-Δ调制器环路的稳定性。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述Σ-Δ调制器为四阶Σ-Δ调制器。
7.一种接口电路，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，所述接口电路包括：
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
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。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述滤波器为FIR滤波器。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述FIR滤波器经配置以便在复平面中由位于原点处的一对复零点及一对极点来表示。
10.根据权利要求7所述的设备，其中所述滤波器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两者挑选的特性。
11.根据权利要求7所述的设备，其进一步包括提供从所述反馈环路到前馈电路而不通过所述MEMS传感器的路径的稳定电路。
12.根据权利要求7所述的设备，其中所述Σ-Δ调制器为四阶Σ-Δ调制器。
13.一种传感器子系统，其包括：
MEMS传感器；
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，所述接口电路包括：
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
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。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述滤波器为FIR滤波器。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述FIR滤波器经配置以便在复平面中由位于原点处的一对复零点及一对极点来表示。
16.根据权利要求13所述的设备，其中所述滤波器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两者挑选的特性。
17.根据权利要求13所述的设备，其进一步包括提供从所述反馈环路到前馈电路而不通过所述MEMS传感器的路径的稳定电路。
18.根据权利要求13所述的设备，其中所述Σ-Δ调制器为四阶Σ-Δ调制器。
CN201480011355.9A 2013-02-28 2014-02-27 电容性微机械传感器力反馈模式接口系统 Active CN105009422B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361770402P 2013-02-28 2013-02-28
US61/770,402 2013-02-28
PCT/US2014/019009 WO2014134300A1 (en) 2013-02-28 2014-02-27 Capacitive micro-machined sensor force-feedback mode interface system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105009422A true CN105009422A (zh) 2015-10-28
CN105009422B CN105009422B (zh) 2018-02-06

Family

ID=51387590

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480011355.9A Active CN105009422B (zh) 2013-02-28 2014-02-27 电容性微机械传感器力反馈模式接口系统

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8872683B2 (zh)
EP (1) EP2962382A4 (zh)
CN (1) CN105009422B (zh)
WO (1) WO2014134300A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9435824B2 (en) * 2013-07-25 2016-09-06 Garimella R Sarma Circuit to extend frequency response of accelerometer
US9645029B2 (en) * 2014-04-07 2017-05-09 Infineon Technology Ag Force feedback loop for pressure sensors
US9462375B2 (en) * 2014-06-09 2016-10-04 Robert Bosch Gmbh Feedback delay reduction in force feedback devices
US11619492B2 (en) 2021-06-10 2023-04-04 Invensense, Inc. Sensor linearization based upon correction of static and frequency-dependent non-linearities
CN117713746B (zh) * 2024-02-05 2024-05-14 成都凯天电子股份有限公司 一种压电信号调理电路

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030117306A1 (en) * 2001-12-25 2003-06-26 Takashi Okuda Modulator
CN101322315A (zh) * 2005-12-05 2008-12-10 Nxp股份有限公司 具有最优内置滤波功能的前馈∑-△模/数转换器
US20120013351A1 (en) * 2008-09-19 2012-01-19 Physical Logic Ag Method for converting a sensor capacitance under parasitic capacitance conditions and a capacitance-to-voltage converter circuit
CN102414989A (zh) * 2009-07-16 2012-04-11 密克罗奇普技术公司 用于切换式电容器σ-δ调制器的2阶段增益校准与缩放方案
US20120235726A1 (en) * 2010-09-14 2012-09-20 Ayman Elsayed Interface for MEMS intertial sensors

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8299844B2 (en) * 2005-09-29 2012-10-30 Case Western Reserve University System and circuitry to provide stable transconductance for biasing
US7817075B2 (en) * 2009-02-03 2010-10-19 Windtop Technology Corp. Apparatus for converting MEMS inductive capacitance

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030117306A1 (en) * 2001-12-25 2003-06-26 Takashi Okuda Modulator
CN101322315A (zh) * 2005-12-05 2008-12-10 Nxp股份有限公司 具有最优内置滤波功能的前馈∑-△模/数转换器
US20120013351A1 (en) * 2008-09-19 2012-01-19 Physical Logic Ag Method for converting a sensor capacitance under parasitic capacitance conditions and a capacitance-to-voltage converter circuit
CN102414989A (zh) * 2009-07-16 2012-04-11 密克罗奇普技术公司 用于切换式电容器σ-δ调制器的2阶段增益校准与缩放方案
US20120235726A1 (en) * 2010-09-14 2012-09-20 Ayman Elsayed Interface for MEMS intertial sensors

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014134300A1 (en) 2014-09-04
US8872683B2 (en) 2014-10-28
EP2962382A1 (en) 2016-01-06
CN105009422B (zh) 2018-02-06
EP2962382A4 (en) 2016-11-16
US20140240156A1 (en) 2014-08-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8464585B2 (en) Combined MEMS accelerometer and gyroscope
Park et al. Adaptive control for the conventional mode of operation of MEMS gyroscopes
CN105009422A (zh) 电容性微机械传感器力反馈模式接口系统
KR101803990B1 (ko) 시그마-델타 변조에 의해 미소-기계 회전 레이트 센서의 쿼드러쳐 및 공진 주파수의 디커플링된 제어를 위한 방법
Chen et al. Design and implementation of an optimized double closed-loop control system for MEMS vibratory gyroscope
US7665361B2 (en) Method and apparatus for closed loop offset cancellation
Chen et al. A single-side fabricated triaxis (111)-silicon microaccelerometer with electromechanical sigma–delta modulation
Yun A surface micromachined accelerometer with integrated CMOS detection circuitry
Almutairi et al. Multi stage noise shaping sigma–delta modulator (MASH) for capacitive MEMS accelerometers
Almutairi et al. Design and implementation of a MASH2-0 electromechanical sigma–delta modulator for capacitive MEMS sensors using dual quantization method
Zhang et al. Design of the digital interface circuit system for MEMS gyroscope
Colin et al. Identification-based approach for electrical coupling compensation in a MEMS gyroscope
Jiang et al. Σ Δ capacitive interface for a vertically-driven X& amp; Y-axis rate gyroscope
Zhao et al. An efficient and accurate MEMS accelerometer model with sense finger dynamics for applications in mixed-technology control loops
Sarraf et al. Design and implementation of a novel sliding mode sensing architecture for capacitive MEMS accelerometers
Song et al. System-level simulation and implementation for a high Q capacitive accelerometer with PD feedback compensation
Tulaev et al. Micromechanical sensors design method based on system-level modeling
Nessler et al. A Self-Test on Wafer Level for a MEM Gyroscope Readout Based on $\Delta\Sigma $ Modulation
Wang et al. Sensor fusion noise suppression method based on finite impulse response complementary filters
Küster et al. Virtual Prototyping in SystemC AMS for Validation of Tight Sensor/Firmware Interaction in Smart Sensors
Srinivasan Advanced MEMS inertial sensors: Simscape modelling and applications in Sliding Mode Control
Meyer et al. Relationship between zero-rate output and the MEMS element in a closed-loop system
Cretu et al. Spectral analysis through electromechanical coupling
Liu et al. Quantization noise consideration and characterization in Sigma-Delta MEMS accelerometer
Wu et al. A table-based time-domain simulation method for oversampled microelectromechanical systems

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20191122

Address after: 13 / F, Tower B, Tengfei building, free trade zone, Futian District, Shenzhen City, Guangdong Province

Patentee after: Shenzhen Huiding Technology Co., Ltd.

Address before: California, USA

Patentee before: Si Ware Systems