CN106066218A - 用于电容传感器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

根据一个实施例，一种利用电容传感器执行测量的方法，包括：生成周期性激励信号，所述周期性激励信号包括一系列脉冲；以及平滑所述一系列脉冲的边缘过渡以形成成形的周期性激励信号，其中所述成形的周期性激励信号包括所平滑的边缘过渡之间的平坦区域。该方法进一步包括将所成形的周期性激励信号提供给所述电容传感器的第一端口并且测量通过所述电容传感器的第二端口提供的信号。

Description

用于电容传感器的系统和方法
本申请要求2015年4月20日提交的美国临时申请第62/150,027号的权益，其全部内容以引用的方式引入本申请。
相关申请的交叉参考
本申请还涉及以下共同未决且共同转让的美国专利申请，它们也要求2015年4月20日提交的美国临时申请第62/150,027号的权益：_____提交的标题为_____的序列号_____(代理人卷号2015P50162 US)、_____提交的标题为_____的序列号_____(代理人卷号2015P 50088 US)以及_____提交的标题为_____的序列号_____(代理人卷号2015P 50089 US)，其全部内容以引用的方式引入本申请。
技术领域
本发明总体上涉及传感器系统，在具体实施例中，涉及用于电容传感器的系统和方法。
背景技术
通常包括小型化的各种电部件和机械部件的微机电系统(MEMS)通过各种材料和制造方法来制造，并且用于各种应用。这些应用包括汽车电子、医疗设备和智能便携式电子设备，诸如蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、硬盘驱动器、计算机外围设备和无线设备。在这些应用中，MEMS可用作传感器、致动器、加速器、开关、微型反射镜和许多其他设备。MEMS还用于环境压力测量系统以测量绝对或差分环境压力。
当设计将MEMS设备用作传感器的系统时，可以考虑各种属性，例如包括分辨率和温度敏感度。还可以考虑由MEMS设备的机械谐振引起的任何环状噪声和能量损失。在一些系统中，这种机械谐振可以响应于激励信号生成振荡，并且这些振荡可具有通过质量因子(Q)来表征的能量损失。较大的Q表示能量损失相对于谐振器的存储能量的较小速率，由此机械振荡消失地更加缓慢。较小的Q表示能量损失相对于谐振器的存储能量的较大速率，由此机械振荡消失地更加快速。
发明内容
根据一个实施例，一种利用电容传感器执行测量的方法，包括：生成周期性激励信号，所述周期性激励信号包括一系列脉冲；以及平滑所述一系列脉冲的边缘过渡以形成成形的周期性激励信号，其中所述成形的周期性激励信号包括所平滑的边缘过渡之间的平坦区域。该方法进一步包括将所成形的周期性激励信号提供给所述电容传感器的第一端口并且测量通过所述电容传感器的第二端口提供的信号。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优势，现在结合附图进行以下描述，其中：
图1是示出根据本发明实施例的包括基于MEMS的传感器的压力测量设备的框图；
图2a至图2c示出了桥式结构的MEMS电容器阵列布局和MEMS电容器的截面；
图3是示出根据本发明实施例的用于具有自鸣(ringing)噪声的差分响应信号以及用于方波激励信号的波形；
图4示出了以桥式结构配置的MEMS电容器传感器的输入和输出波形的实施例；
图5示出了示例性斜率控制电路；
图6示出了利用斜率控制电路的示例性数字压力测量系统；
图7示出了示例性方法的流程图；
图8是示出根据本发明实施例的使用伪随机采样时钟跳动(jitter)对差分响应信号进行采样的ADC的框图；
图9是示出根据本发明实施例的用于基于MEMS的传感器的谐振频率的值的范围处的相对自鸣误差的示图；
图10是示出根据本发明实施例的生成具有伪随机跳动的可变时钟信号的电路的框图；
图11是示出根据本发明实施例的测量方法的流程图；
图12a和图12b示出了不同尺寸和位置的MEMS电容器阵列示意和布局；
图13是示出驱动具有相同尺寸和谐振频率的MEMS电容器传感器的方波激励信号的输出波形的示图；
图14是示出驱动具有不同尺寸和谐振频率的MEMS电容器传感器的方波激励信号的输出波形的示图；
图15是示出来自具有不同尺寸和谐振频率的MEMS电容器传感器的输出波形的频谱的示图；
图16是示出来自具有相同尺寸和谐振频率的MEMS电容器传感器以及具有不同尺寸和泄露频率的MEMS电容器传感器的输出波形的自鸣振幅的示图；
图17示出了示例性MEMS压力传感器系统的系统框图；
图18示出了又一示例性MEMS压力传感器系统的示意性框图；
图19a和图19b示出了在Σ-Δ型模数转换器(ADC)中生成的示例性噪声信号的波形图；
图20示出了在不具有抖动时钟和具有抖动时钟的情况下在Σ-Δ型模数转换器(ADC)中生成的噪声信号的波形图；
图21a和图21b示出了示例性Σ-Δ型模数转换器(ADC)的示意性框图；以及
图22示出了用于传感器的示例性操作方法的框图。
不同附图中的对应数字和符号通常表示对应的部分，除非另有指示。绘制附图以清楚地示出优选实施例的相关方面，并且不需要按比例绘制。为了更清楚地示出特定实施例，表示相同结构、材料或工艺步骤的变化的字母可以跟在图号之后。
具体实施方式
以下详细讨论优选实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可在各种具体环境下具体化的发明概念。所讨论的具体实施例仅示出了制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本发明。
在具体条件(用于执行使用基于MEMS的传感器的电容压力测量系统的测量的系统和方法)下，参照优选实施例描述本发明。其他实施例可应用于其他传感器系统，诸如压阻式传感器系统。本文所述各个实施例中的一些包括电容MEMS压力传感器、接口电路、用于MEMS压力传感器接口电路的Σ-Δ型模数转换器(ADC)、接口电路中的噪声以及用于Σ-Δ型ADC和接口电路的抖动时钟。在其他实施例中，各个方面还可以应用于涉及根据本领域已知的任何方式的任何类型的换能器系统的其他应用。
电容MEMS压力换能器使用两个区域之间的压力差以调整可变电容结构并生成与压力差成比例的输出信号。在一个具体应用中，差分输出电容MEMS压力换能器使用两个可变电容结构来生成根据所测量的压力而变化的差分输出。在各个实施例中，从压力换能器输出的信号是模拟信号。模拟信号可以被放大并转换为数字信号。
在本发明的实施例中，通过在MEMS压力传感器的第一端口处引入周期性激励信号并在MEMS压力传感器的第二端口处监控MEMS压力传感器的输出来操作电容MEMS压力传感器。然后，通过确定MEMS传感器的第二端口处的信号的振幅来进行压力测量。这种系统中面对的一个问题是，由于基于MEMS的传感器内的机械谐振引起的基于MEMS的传感器的欠阻尼响应，这在一些环境中会由于输出信号的自鸣特性而导致测量误差。在本文公开的各个实施例中，公开了测量这种欠阻尼系统的系统和方法。
在第一实施例中，为了减少由MEMS压力传感器对激励信号的欠阻尼响应而引起的误差，减小激励信号的斜率以衰减可刺激MEMS压力传感器的欠阻尼响应的谐波。在一些实施例中，激励信号被限定或生成为使得减少或消除了尖锐边缘的情况，在具体实施例中，通过根据方波输入信号生成双斜率集成三角波形并再次对该信号积分来生成在第一信号电平和第二信号电平之间具有平滑过渡的周期性波形来实现斜率降低。在一些实施例中，第一方波信号的斜率通过延迟锁定环来控制，从而将斜率减小的激励脉冲的边缘与即将到来的时钟信号同步。
在第二实施例中，使用抖动采样时钟来测量基于MEMS的传感器的输出。通过相对于MEMS的欠阻尼响应抖动采样时间，可以进行一系列测量，其中MEMS响应的欠阻尼分量得到平均。更具体地，以对应于切换频率的规则间隔来改变可变时钟信号的周期。在每个这样的规则间隔之后的切换时间处，相对于最小周期将可变时钟信号的周期增加伪随机确定的周期调整量。等效地，将可变时钟信号的频率降低与该周期调整量相对应的频移。可变时钟信号的切换频率被设计为接近基于MEMS的传感器的机械谐振频率。通过划分可变时钟信号的频率来得到采样时钟信号。为了扩展基于MEMS的传感器输出的谐振自鸣噪声，根据采样时钟信号以伪随机可变间隔来数字地采样该输出。然后，多个数字采样被滤波并组合以抑制宽带自鸣噪声。
在第三实施例中，使用具有可变尺寸的阵列或MEMS压力传感器来实施MEMS压力传感器，使得每个MEMS压力传感器都在不同的频率下谐振。因此，当MEMS压力传感器通过激励信号来刺激时，由于相互异相的各种谐振响应而在各个时刻减小自鸣的振幅。通过在各个MEMS压力的相干相消减小脉冲响应的振幅时对MEMS传感器的输出进行采样，可以进行更多精确的测量。
在第四实施例中，过采样模数转换器(ADC)用于监控MEMS传感器的输出。为了在过采样ADC中减轻空闲音调(idle tone)，抖动时钟可用于操作过采样ADC。在一些实施例中，可根据本文公开的第二实施例生成抖动时钟信号。
图1示出了包括传感器103的示例性压力测量设备100。传感器103耦合至激励信号发生器102的输出。激励信号发生器102生成提供给传感器103的交替激励信号，其生成由两个激励响应信号组成的模拟测量信号。通过传感器103的谐振(例如可以是机械谐振)的振荡来生成这些激励响应信号中的每一个。在一个实施例中，传感器103具有欠阻尼响应。
再次参照图1，传感器103包括具有两个桥段105的电容桥。每个桥段105分别包括与参考电容器109串联的压敏电容器111，并且在压敏电容器111和参考电容器109之间的中心抽头处输出传感器103的一个响应信号。参考电容器109具有Cr的电容，其与压敏电容器111的电容Cs相比随压力相对稳定。在一个实施例中，分别使用包括在传感器103中的一个或多个高Q MEMS元件来实施压敏电容器111，并且这些MEMS元件具有谐振频率fr的机械谐振。在一些实施例中，使用Cr相对于Cs的随温度引发的变化以已知关系随温度变化而选择的电容器来实施参考电容器109。
耦合至传感器103的输出的读出放大器104放大这些传感器响应信号。然后，耦合至读出放大器104的输出的模数转换器(ADC)106对放大的传感器响应信号之间的差进行采样以提供数字采样。耦合至ADC 106的滤波器108在时间间隔上组合这些数字采样中的若干个以生成单个压力测量采样。在一些实施例中，滤波器108是对数字采样进行平均的低通滤波器。在其他实施例中，滤波器108使用更加复杂的算法来组合数字采样，其例如可以包括选择具有中值的采样、在平均之前丢弃异常采样等。
在一些实施例中，在单个集成电路(IC)中包括压力测量设备100的激励信号发生器102、传感器103、读出放大器104、ADC 106和滤波器108中的每一个，并且该IC具有小于10立方毫米的体积。在其他实施例中，可以在压力测量设备100中包括多个IC。
图2a-图2c示出了可用于实施图1所示传感器103的MEMS传感器的示例性实施方式。如图所示，在图2a中，以包括固定电容器Cr和可变电容器Cs的桥式结构来布置MEMS传感器。在一个实施例中，可变电容器Cs均使用MEMS传感器的阵列来实施，而固定电容器使用固定电容器的阵列来实施，其被设计为跟踪MEMS传感器的阵列的额定电容。
图2b示出了MEMS电容器传感器阵列200的示例性布局210。如图所示，该布局包括用于实施电容Cs的固定电容单元212和218以及对压力敏感的MEMS传感器单元214和216。如图所示，该布局210结构可以被布置为避免桥中的所有四个电容器之间的梯度失配。在一个实施例中，MEMS传感器单元214可以使用本领域已知的MEMS传感器结构来实施，而固定电容单元可以使用运动失效的MEMS传感器单元来实施。通过针对MEMS传感器单元214和216以及固定电容单元212和218使用类似的物理结构，可以随着工艺和温度变化实现MEMS传感器单元214和216与固定电容单元212和218之间的良好匹配。在一些实施例中，例如通过在半导体部件的处理期间不打开压力端口或者通过在MEMS结构内添加机械运动阻挡来防止固定电容单元212和218的运动。
图2c示出了在示例性NMOS和PMOS晶体管旁边的MEMS传感器单元220的截面。如图所示，MEMS传感器单元形成有用作顶电极222和固定的对电极224的多晶硅隔膜以形成传感器单元。在顶电极和固定的对电极之间具有真空腔226。顶电极222不被覆盖以允许任何压力应用并且引起电容器值的变化。应该理解，截面220仅仅是可在本发明的实施例中使用的适当MEMS单元的许多实例中的一种。
图3示出了用于示例性方波激励信号302和差分响应信号304的波形。方波激励信号是可由图1的激励信号发生器102产生的交替激励信号的一个实施例。在其他实施例中，可以使用任何交替激励信号，例如包括正弦信号、三角信号或复合信号等。
再次参照图3，差分响应信号304表示图1的传感器103的输出处的响应信号之间的差。由于组成压敏电容器111的一个或多个MEMS元件是高Q的，所以这些MEMS元件的机械谐振是欠阻尼的，并且机械振荡缓慢消失。在各个采样时间t1、t2和t3处，相对于由理想电容器形成的传感器的理想响应信号306，在差分响应信号304中引入自鸣噪声。
第一实施例
在第一实施例中，减小激励302的斜率以避免过度地刺激MEMS传感器103的谐振条件。图4示出了方波激励信号402与用于在输入端口Vex处刺激MEMS传感器的波形激励信号404之间的比较。如图所示，输出波形406表示由于在上升沿和下降沿处包含陡峭倾斜的方波输入402而引起的高振幅自鸣，因为通过具有陡峭的上升和下降沿的方波激励信号402刺激的谐振引起谐振。另一方面，输出波形408表示来自波形激励信号404的响应并且由于输入的上升和下降部分处的平滑边缘以及到平坦区域的过渡区域而显示出非常小的自鸣。激励信号404的上升和下降部分处的平滑边缘减小了由于MEMS传感器和电容器的高Q因子引起的谐振效应，并提供了更加平滑的输出波形408。
在一个实施例中，通过使用级联积分器来控制激励信号的上升和下降行为同时保持边缘过渡之间的稳定输出电压，在时域中控制激励信号的斜率。因此，第一积分产生了三角边缘，而第二积分产生了具有第二阶或抛物线状的边缘。第二积分的输出用于驱动以桥式结构布置的MEMS传感器103。这种实施例成形降低所生成谐波的振幅并减小在MEMS传感器103的输出处看到的自鸣。应该理解，级联积分器方法仅仅是可用于控制激励信号的斜率的许多可能示例性系统和方法中的一个实例。在一些实施例中，激励信号具有信号值稳定的时间周期，例如其具有固定的参考电压。时间周期稳定的时间周期还可以称为“平坦区域”。在该时间周期内，传感器输出信号和读出放大器输出信号也是稳定的并且例如可以通过图1所示的ADC 106来采样。
图5示出了示例性激励脉冲生成系统500，其包括计时控制电路502、充电泵504、第一积分电容器C1、第二积分器和波成形电路508、用于控制第二积分器输出耦合至CLoad的开关510、比较器512、相位检测器514和驱动回路滤波器电容器C2的第二充电泵516。计时控制电路502接受来自脉冲发生器501的输入方波信号或时钟，并生成用于驱动充电泵504的两个开关控制信号。这两个开关控制信号选择性的启动将充电或放电电流源连接至积分电容器C1的开关。在积分电容器C1两端积分方波时钟信号，并生成Σ-Δ型波形。该Σ-Δ型波形被缓冲放大器506所缓冲。缓冲三角波形被进一步积分以生成在MEMS电容器的谐振频率处包含非常低的能量内容的波形。第二积分平滑方波中存在的尖锐边缘以及三角波形的边缘。应该理解，具有尖锐边缘的方波包含可以刺激MEMS传感器103内的谐振响应的大量高频分量。控制积分波形的端点，以确保斜率控制输出信号的边缘与输入时钟信号同步。开口510被配置为将负载电容CLoad耦合至积分器和波成形电路508的输出或者耦合至该电路块的电源电压VDD(通常是温度稳定和低噪声参考电压)。在一些实施例中，在第二积分器和波成形器508不满足电源电压的情况下，开关510用于将负载电容CLoad耦合至电源电压VDD。
如图5所示，斜率控制激励信号通过比较器512以形成可用于调整输入时钟和激励信号之间的相位差的信号。比较器512的输出处的相位经由相位检测器514与输入时钟信号的相位进行比较，生成启动充电泵电路516中的两个开关的两个控制信号。开关将充电或放电电流源连接至回路滤波器电容器C2。电容器C2处的电压是激励信号和输入时钟信号之间的相位差的指示。回路滤波器电容器C2将瞬时的相位差转换为模拟电压。该电压用于控制充电和放电电流的振幅，同时生成Σ-Δ型波形。在一个实施例中，激励脉冲生成系统500可以在单个集成电路(IC)中实施。
图6示出了示例性数字压力测量系统600，其包括示例性激励信号发生器602、电容压力传感器604(包括读出放大器104)、温度传感器606、多路复用器608、模数转换器(ADC)610、数字信号处理612、数字核614、数字接口616、电压调节器618、存储接口620、单元存储校准系数622和FIFO(先入先出)624。激励信号发生器602根据上述实施例向电容压力传感器604提供斜率控制激励信号。多路复用器608选择来自温度传感器606或电容器传感器604的测量值，并发送至ADC电路610用于测量值的数字转换。然后，ADC输出经过数字信号处理单元612，用于进一步的滤波和数学计算。数字核614和数字接口616是将温度和压力测量值转换为24位数字字的内部处理器的部分。校准系数622存储用于每个独立压力传感器的校准值，来用于测量校正。FIFO 624在低功率模式期间存储多个温度和压力测量值。存储接口620将这些值提供给数字核614。实施例还包括用于向内部电路提供电能的内电压调节器。
在一个实施例中，数字压力测量系统600可以使用单个集成电路和/或集成电路和/或分立部件的组合来实施。应该理解，系统600仅仅是可以实施示例性激励信号发生器的许多实例系统中的一种。
图7示出了控制MEMS电容器的斜率的示例性方法700的流程图。在步骤702中，对第一输入信号执行第一积分。在一个实施例中，第一输入信号是方波信号。接下来，在步骤704中，对第一积分输出信号执行第二积分。在一个实施例中，第一积分输出是三角波形，并且执行第二积分用于波成形。在一些实施例中，当输出信号达到参考电压(Vdd)或者过去的特定时间量时，输出保持恒定(最终输出被切换为Vdd)直到触发下降沿过程。接下来，在步骤706中，第二积分的输出用于驱动MEMS电容器桥，其中桥具有两个部分且每个部分都由一个压敏电容器和一个参考电容器组成。接下来，在步骤708中，输入信号的相位和第二积分的输出被同步。在一个实施例中，相位检测器用于同步相位。接下来，在步骤710中，连接至压敏电容器和参考电容器的公共点的读出放大器用于测量瞬时电容器变化。最后，在步骤712中，对读出放大器的输出执行A/D转换以计算压力。
根据各个实施例，电路或系统可以被配置为通过具有安装在系统上的硬件、软件、固件或它们的组合(它们在操作中使系统执行动作)来执行特定的操作或动作。一个一般的方面包括利用电容传感器执行测量的方法，该方法包括：生成周期性激励信号，周期性激励信号包括一系列脉冲；平滑一系列脉冲的边缘过渡以形成成形的周期性激励信号，使得成形的周期性激励信号包括所平滑的边缘过渡之间的平坦区域；将成形的周期性激励信号提供给电容传感器的第一端口；以及测量通过电容传感器的第二端口提供的信号。该方面的其他实施例包括对应的电路和系统，被配置为执行方法的各个动作。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。该方法中，测量由电容传感器的第二端口提供的信号包括执行模拟数字转换。该方法进一步包括：基于测量信号确定输出测量值。在该方法中，确定的输出测量值包括压力测量值。在该方法中，平滑边缘过渡包括基于生成的周期性激励信号生成第一斜率信号，以形成斜率激励信号。在该方法中，平滑边缘过渡还包括：对第一斜率信号进行积分以形成成形的周期性激励信号。该方法还包括：基于成形的周期性激励信号和周期性激励信号之间的计时差来调整第一斜率信号的斜率。在该方法中，生成第一斜率信号包括：利用第一电流源对电容器进行充电，以及利用第二电流源对电容器放电。该方法还包括：基于成形的周期性激励信号和周期性激励信号之间的计时差，调整第一斜率信号的斜率，其中调整斜率包括调整第一电流源和第二电流源的电流。该方法还包括：确定成形的周期性激励信号和周期性激励信号之间的计时差。在该方法中，确定计时差包括使用相位检测器。在该方法中，电容传感器包括MEMS传感器。在该方法中，MEMS传感器包括传感器桥，其具有：第一分支，具有第一MEMS压力传感器和第一电容器；以及第二分支，具有第二MEMS压力传感器和第二电容器。所述技术的实施可以包括硬件、方法或工艺或者计算机可访问介质上的计算机软件。
又一个一般的方面包括一种系统，包括：激励发生器，被配置为耦合至电容传感器的第一端口，激励发生器包括脉冲发生器以及耦合至脉冲发生器的输出的脉冲平滑电路，其中脉冲平滑电路的输出被配置为耦合至电容传感器的第一端口，其中脉冲平滑电路被配置为生成具有边缘过渡之间的平坦区域的成形的周期性激励信号。该方面的其他实施例包括对应的电路和系统，被配置为执行方法的各种动作。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。系统还包括被配置为耦合至电容传感器的第二端口的读出电路。在该系统中，读出电路包括被配置为耦合至电容传感器的第二端口的A/D转换器。在该系统中，读出电路被配置为基于来自电容传感器的第二端口的信号确定电容传感器的响应。该系统还包括电容传感器。在该系统中，电容传感器包括MEMS传感器。在该系统中，MEMS传感器包括传感器桥，其具有：第一分支，具有第一MEMS压力传感器和第一电容器；以及第二分支，具有第二MEMS压力传感器和第二电容器。在该系统中，脉冲平滑电路包括斜坡发生器，其具有耦合至脉冲发生器的输出的输入。在该系统中，斜坡发生器包括耦合至第一电容器的第一电流源和第二电流源。在该系统中，脉冲平滑电路还包括耦合至斜坡发生器的输出的积分器，其中积分器的输出耦合至脉冲平滑电路的输出。该系统还包括相位检测器，其具有耦合至脉冲发生器的输出的第一输入以及耦合至积分器的输出的第二输入，其中相位检测器的输出被配置为控制斜坡发生器的输出处的信号的斜率。该系统还包括耦合至相位检测器的输出的电荷泵以及耦合至电荷泵的输出的电容器。在该系统中，斜坡发生器的输出处的信号的斜率基于第二电容器两端的电压。在该系统中，激励发生器被设置在集成电路上。在该系统中，电容传感器被进一步设置在集成电路上。在该系统中，脉冲平滑电路包括：第一积分器，耦合至脉冲发生器的输出；以及第二积分器，耦合至第一积分器的输出，其中第二积分器的输出耦合至脉冲平滑电路的输出。该系统还包括相位检测器，其具有耦合至脉冲发生器的输出的第一输入和耦合至积分器的输出的第二输入，其中相位检测器的输出被配置为控制第一积分器的斜率。在该系统中，第一积分器包括耦合至积分电容器的多个电流源，并且控制第一积分器的斜率包括基于相位检测器的输出调整多个电流源的电流。所述技术的实施可以包括硬件、方法或工艺或者计算机可访问介质上的计算机软件。
另一一般方面包括一种系统，包括：微机电系统(MEMS)设备；激励脉冲发生器，耦合至所述MEMS设备的第一端口，其中所述激励脉冲发生器被配置为：生成周期性激励信号，所述周期性激励信号包括一系列脉冲；并平滑所述一系列脉冲的边缘过渡以形成成形的周期性激励信号，其中所述成形的周期性激励信号包括所平滑的边缘过渡之间的平坦区域。该系统还包括读出电路，耦合至所述MEMS设备的第二端口。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。在该系统中，读出电路包括A/D转换器。在该系统中，激励脉冲发生器包括：脉冲发生器；斜坡发生器，耦合至所述脉冲发生器的输出；积分器，耦合至所述斜坡发生器的输出；比较器，耦合至所述斜坡发生器的输出；以及相位检测器，具有耦合至所述脉冲发生器的输出的第一输入、耦合至所述比较器的输出的第二输入、以及耦合至所述斜坡发生器的斜率控制输入的输出。
第一实施例的一些实施方式的优势包括：当经由激励信号使能电容MEMS时降低自鸣效应的能力。自鸣的量是激励信号波形和MEMS电容器谐振频率的函数。
第二实施例
在第二实施例中，ADC 106通过伪随机跳动来改变其内采样时钟信号，从而缓解自鸣噪声的效应。通过改变采样时钟的上升和/或下降沿的计时来提供该伪随机跳动，其中ADC 106从采样时钟得到其计时参考。因此，传感器103的输出的系统自鸣误差由此被转换为宽带信号，滤波器108可以例如通过将许多数字采样求平均以形成每个组合测量采样来进行抑制。
图8示出了可用作图1的ADC 106的示例性ADC 800，以生成具有伪随机跳动的时钟信号。ADC 800包括可变时钟发生器804、分频器806和采样单元808。
可变时钟发生器804生成具有伪随机跳动的可变时钟信号。可变时钟发生器804包通过切换可变时钟信号的周期Tper的长度来在可变时钟信号中包括该伪随机跳动。Tper等于最小周期Tper_min加上在Tper的每个时钟循环切换的周期调整ΔTper。采样单元808接收通过时钟分频器806的较低时钟频率。例如，在图8的实施例中，时钟频率低整数N倍，使得有效采样时钟具有持续时间Tsw的时钟跳动，其中该持续时间Tsw等于N倍的ΔTper。在一个实施例中，选择Tsw，使其随机地采样在至少一个周期1/fres上扩展的时间点处具有谐振行为的MEMS信号，其中fres是MEMS传感器的谐振频率，且谐振周期Tres是fres的倒数。作为实例，对于fres＝5MHz，Tres＝200ns且N＝8的情况，使ΔTper小于200ns(优选小于200ns/4)，其仍然足够高来使Tsw大于200ns。在可选实施例中，时钟分频器806可以具有另一分配比和/或MEMS传感器可具有不同的谐振频率。
可变时钟发生器804在反馈回路中被时钟控制器820所控制以稳定可变时钟信号的平均周期Tper_avg。通过参考振荡器803向时钟控制器802提供参考振荡器信号，参考振动器803可以是振荡晶体或任何其他形式的稳定电子振荡器。在一个实施例中，时钟控制器802可以包括锁相环。在一个实施例中，时钟控制器802可以为可变时钟发生器804提供周期不同于周期Tper_min的时钟信号，然后通过可变时钟发生器804对频率进行标度(scale)。可变时钟发生器804向时钟控制器802提供时钟反馈信号。
分频器806耦合至可变时钟发生器804的输出，并生成采样周期Tsam(其是周期Tper的N倍)的采样时钟信号。因此，采样时钟信号还包括伪随机跳动。
采样单元808的输入耦合至分频器806的输出以接收采样时钟信号。采样单元808还具有接收从图1的读出放大器104输出的两个放大的传感器响应信号的输入。采样单元808通过采样这些传感器响应信号之间的差来生成采样，并且每Tsam秒执行这种采样。在ADC的一个或多个后续级(未示出)中量化这些采样。在一个实施例中，ADC是Σ-Δ型转换器，并且量化级还包括对采样单元的输出进行滤波的附加回路滤波器。
图9示出了绘制图1的滤波器108的输出处的相对自鸣误差的示图。采样时钟的最大周期偏移是150纳秒，16,384个数字采样被平均以形成每个测量采样，并且切换频率fsw是5120kHz。相对于由理想电容器形成的传感器的无谐振响应信号来计算脉冲噪声。当谐振频率等于切换频率时，该相对自鸣误差最小化，并且在任一方向上随着谐振频率远离切换频率变化而增加。
图10示出了示例性可变时钟发生器804的框图。可变时钟发生器804包括计数器1002、解复用器1004、LFSR 1006和振荡器1008。
计数器1002具有接收来自时钟控制器802的时钟控制信号的计数器重置输入。在图10的示例性实施例中，该时钟控制信号的频率为160kHz。计数器1002还具有耦合至振荡器1008的输出的计数器时钟输入以接收可变时钟信号。在图10的实施例中，计数器1002是3位计数器，其生成表示与从振荡器1008接收的可变时钟信号同步的从0增加到7的计数值的计数器信号，并且通过计数器重置输入的上升沿将计数值重置为0。计数器信号的最高有效位被设为时钟控制器802的反馈控制信号。该反馈控制信号是可变时钟信号的频率的八分之一。
解复用器1004还具有耦合至计数器1002的输出的输入以接收计数器信号。解复用器1004基于计数值接通或断开二进制LFSR使能信号。解复用器1004还基于计数器信号的值接通或断开AND门1010的第一二进制输入。
在图10的实施例中，当计数值为0或1时，解复用器接通LFSR使能信号，否则解复用器1004断开LFSR使能信号。当计数值为3或4时，解复用器接通AND门1010的第一输入，否则解复用器1004断开AND门1010。由于计数值可以采用八个可能值中的任何一个，所以LFSR使能信号仅在振荡器1008的可变时钟周期的前四分之一期间接通，并且AND门1010的第一输入仅在振荡器时钟周期的下一个四分之一期间接通。
LFSR 1006包括接收来自解复用器1004的LFSR使能信号的使能输入。LFSR 1006还具有接收来自时钟控制器802的时钟控制信号作为LFSR重置信号的重置输入。LFSR 1006还包括接收从振荡器1008输出的可变时钟信号的时钟输入。基于LFSR使能信号和LFSR重置信号，LFSR 1006生成与可变时钟信号同步的伪随机序列。在一些实施例中，LFSR 1006是斐波纳契LFSR。在其他实施例中，LFSR1006是伽罗瓦LFSR。在又一些实施例中，可以使用本领域已知的任何伪随机序列发生器(包括非线性反馈移位寄存器)来代替LFSR1006。
在图10的实施例中，LFSR 1006是17位LFSR，其输出表示LFSR1006的二位二进制状态的LFSR状态信号。LFSR 1006将该LFSR状态信号一位一位地提供给AND门1010的第二二进制输入。基于该LFSR状态信号以及AND门1010的第一输入处的信号，AND门1010生成也是二位二进制序列的序列选择信号。
时钟发生器804还包括接收来自AND门1010的该频率选择信号的D触发器1012，并且还接收从振荡器1008输出的可变时钟信号。D触发器1010还具有耦合至振荡器1008的输入的输出，并且D触发器1012与可变时钟信号同步地一位一位地向振荡器1008提供频率选择信号。
振荡器1008生成可变时钟信号，其中振荡器1008基于由D触发器1012提供的频率选择信号而变化。振荡器1008具有振荡频率fosc，其最大值是Tper_min(图8所示)的倒数。基于在可变时钟信号的每两个周期(即，每两次振荡)由振荡器接收的频率选择信号的二位二进制值，振荡器1008将其振荡频率fosc保持为其先前值或者将其振荡频率减小一频移。将振荡器1008的频率减小该频移对应于向Tper_min添加周期调整ΔTper以得到可变时钟信号的周期Tper。
在图10的实施例中，振荡器1008在每次切换时刻将其频移改变作为50纳秒的倒数的量，并且任何时刻的总频移都是0、50、100或150纳秒的ΔTper的倒数。振荡器的最大频率fosc等于1280kHz，其对应于781.25纳秒的可变时钟信号的最小周期。
在一个实例中，可变时钟发生器804的频率是采样时钟的频率的八倍(即，N＝8)，由此在采样时钟的每个周期Tsam期间频移被确定为四倍。在这种情况下，振荡器1008可以在采样时钟信号的每个周期Tsam期间在四个切换时刻的每一个处将其频移从先前值进行改变。在该实例中，采样时钟周期Tsam的最小值是781.25纳秒的可变时钟信号的最小周期的八倍，其是6250纳秒。在该实例中，Tsam的最小持续时间对应于160kHz的最大采样时钟频率。当应用与150纳秒的最大ΔTper相对应的频移时，振荡器具有931.25纳秒的最大周期Tper。由于Tsam的最大值是该最大Tper的八倍或7450纳秒，所以在该实例中，其对应于134,2kHz的最大采样时钟频率。在长时间间隔上应用的ΔTper的期望平均将为75纳秒。通过平均0、50、100和150纳秒来确定该期望平均，其是ΔTper的伪随机选择值。因此，Tper的期望平均是856.25纳秒，在该实例中，其对应于6850纳秒的平均采样时钟周期Tsam和146.0kHz的平均采样频率。
图11是示出示例性测量方法的流程图。该方法开始于步骤1102。在步骤1104中，传感器103响应于激励信号生成响应信号。在步骤1106中，与可变时钟信号同步地递增计数器信号。在步骤1108中，根据计数器信号的计数值确定LFSR使能信号。在步骤1110中，根据LFSR使能信号和时钟控制信号，与可变时钟信号同步地确定m位LFSR状态信号。在步骤1112中，根据LFSR状态信号和计数器信号的计数值来确定频率选择信号。
在步骤1114中，基于是否通过频率选择信号选择不同于先前频移的新频移来进行流程判定。如果已经选择了新频移，则流程在步骤1118中继续，其中根据所选的频移来切换可变时钟信号的频率。否则，流程在步骤1116中继续，其中保持可变时钟信号的最后(上个)频率。然后，在任一情况下在步骤1120中继续流程，其中可变时钟信号的频率被降频N倍以得到采样时钟信号。在步骤1122中，根据采样时钟信号来采样传感器103生成的响应信号。
在步骤1124中，基于是否收集了足够的采样来执行平均操作来进行流程判定。采样的该必要数量可以例如基于设计设置。如果没有收集足够的采样，则流程在步骤1125中继续，其中基于时钟信号是否具有上升沿来进行另一流程判定。如果没有检测到上升沿，则流程在步骤1106中继续。
如果在步骤1125中检测到上升沿，则流程在步骤1127中继续，计数器被重置为0。然后，在步骤1108中继续流程。
如果在步骤1124中收集了用于平均的足够采样，则在步骤1126中继续流程，这些采样一起被平均以得到组合的压力测量采样。然后，在步骤118中结束方法。
根据各个实施例，电路或系统可以被配置为通过具有安装在系统上的硬件、软件、固件或它们的组合(在操作中它们使系统执行动作)来执行特定的操作或动作。一个一般的方面包括一种测量方法，包括：通过包括微机电系统(MEMS)元件的传感器响应于激励信号生成响应信号；根据伪随机跳动生成采样时钟信号；根据采样时钟信号来采样响应信号，以确定多个数字采样；以及组合多个数字采样以形成测量采样。本方面的其他实施例包括对应的电路和系统，被配置为执行方法的各个动作。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。在该方法中：生成采样时钟信号包括生成具有可变时钟频率的可变时钟信号，其根据切换频率来切换；以及采样时钟信号的周期是可变时钟信号的周期的整数倍。在该方法中，激励信号包括方波；以及MEMS元件包括第一压敏电容器。在该方法中，生成可变时钟信号包括：通过线性反馈移位寄存器(LFSR)根据可变时钟信号和参考振荡器信号生成LFSR状态信号。在该方法中，生成可变时钟信号还包括：根据可变时钟信号和参考振荡器信号生成计数器信号；根据计数器信号生成LFSR使能信号；以及根据LFSR状态信号和计数器信号生成频率选择信号；生成LFSR状态信号还根据LFSR使能信号；以及生成可变时钟信号还根据频率选择信号。在该方法中，传感器还包括电容桥，电容桥包括第一桥段和第二桥段；第二桥段包括第二压敏电容器和第三电容器；第一桥段包括第一压敏电容器和第四电容器；以及响应信号包括第一桥段的输出信号和第二桥段的输出信号。在该方法中，组合多个数字采样包括对多个数字采样求平均。在该方法中，切换频率不小于MEMS元件的机械谐振频率的0.9倍；并且切换频率不大于MEMS元件的机械谐振频率的1.1倍。所述技术的实施可以包括硬件、方法或工艺或者计算机可访问介质上的计算机软件。
一个一般的方面包括一种包括传感器的测量电路，其中，传感器包括微机电系统(MEMS)元件，电路被配合为：响应于激励信号生成响应信号；根据伪随机跳动生成采样时钟信号；根据采样时钟信号来采样响应信号以确定多个数字采样；以及组合多个数字采样来形成测量采样。该方面的其他实施例包括被配置为执行方法的各个动作的对应电路和系统。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。该电路还被配置为：生成具有可变时钟频率的可变时钟信号，其根据切换频率来切换，其中采样时钟信号的周期是可变时钟信号的周期的整数倍。在该电路中，激励信号包括方波；以及MEMS元件包括第一压敏电容器。该电路还不包括线性反馈移位寄存器(LFSR)，其被配置为根据可变时钟信号和参考振荡器信号生成LFSR状态信号。在该电路中，电路被进一步配置为：根据可变时钟信号和参考振荡器信号生成计数器信号；根据频率选择信号生成可变时钟信号；根据计数器信号生成LFSR使能信号；以及根据LFSR状态信号和计数器信号生成频率选择信号；以及LFSR被进一步配置为根据LFSR使能信号生成LFSR状态信号。在该电路中，传感器还包括电容桥，电容桥包括第一桥段和第二桥段；第二桥段包括第二压敏电容器和第三电容器；第一桥段包括第一压敏电容器和第四电容器；以及响应信号包括第一桥段的输出信号和第二桥段的输出信号。电路还被配置为对多个数字采样进行平均以形成测量采样。在该电路中，切换频率不小于MEMS元件的机械谐振频率的0.9倍；以及切换频率不大于MEMS元件的机械谐振频率的1.1倍。所述技术的实施方式可以包括硬件、方法或工艺或者计算机可访问介质上的计算机软件。
一个一般的方面包括一种测量设备，包括：微机电系统(MEMS)元件；模数转换器(ADC)，耦合至MEMS元件的输出，ADC包括伪随机序列发生器和包括耦合至伪随机序列发生器的输出的输入的第一振荡器；以及滤波器，包括耦合至ADC的输出的输入的滤波器。该方面的其他实施例包括被配置为执行方法的各个动作的对应电路和系统。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。在该设备中，ADC包括耦合在第一振荡器的输出和滤波器输入之间的分频器。该设备还包括方波发生器，方波发生器包括耦合至MEMS元件的输入的输出，其中MEMS元件包括第一压敏电容器。在该设备中，伪随机序列发生器还包括线性反馈移位寄存器(LFSR)。在该设备中，伪随机序列发生器还包括计数器和逻辑网络；计数器包括耦合至参考振荡器的输出的计数器重置输入和耦合至第一振荡器输出的计数器时钟输入；LFSR包括耦合至计数器的输出的使能输入、耦合至参考振荡器输出的LFSR重置输入、耦合至第一振荡器输出的LFSR时钟输入以及耦合至第一振荡器输入的LFSR输出；以及逻辑网络包括耦合至计数器输出的第一逻辑输入、耦合至LFSR输出的第二逻辑输入、耦合至LFSR的使能输入的第一漏极输出和耦合至第一振荡器输入的第二逻辑输出。该设备还包括电容桥，其中，电容桥包括第一桥段和第二桥段，第二桥段包括第二压敏电容器和第三电容器；第一桥段包括第一压敏电容器和第四电容器。在该设备中，滤波器包括低通滤波器。在该设备中，设备占用不大于10立方毫米的体积。该设备还可以包括使用具有采样跳动的微机电系统的测量系统和方法。所述技术的实施方案可包括硬件、方法或工艺或者计算机可访问介质上的计算机软件。
本发明的所示实施例具有抑制由谐振引起的窄带噪声的优势。示例性系统例如可以使用伪随机采样时钟跳动来增加噪声带的宽度，使其可以更容易被滤掉。
第三实施例
在第三实施例中，使用具有可变尺寸的阵列或MEMS压力传感器来实施MEMS压力传感器，使得每一个MEMS压力传感器都在不同的频率下谐振。因此，当通过激励信号刺激MEMS压力传感器时，由于各个谐振响应相互异相，可以在各个时刻减小自鸣的振幅。这是例如通过电并联连接传感器添加各个谐振信号的情况。为了降低由MEMS压力传感器的欠阻尼响应引起的自鸣，设计有MEMS电容压力传感器的阵列。每个电容压力传感器都设计有不同尺寸，使得用于每个电容元件的谐波频率不同于阵列中的其他电容元件的谐波频率。当利用方波激励信号刺激时，每个电容传感器元件都将利用不同的谐振频率自鸣，并且衰减可能引发MEMS压力传感器的欠阻尼响应的谐波。
图12a示出了压敏MEMS阵列1202的示意图，以及图12b示出了包括20个并联连接单元的MEMS阵列的对应布局结构1204。每个单位单元都设计有不同的尺寸以具有不同的谐振频率。例如，如图12a所示，第一MEMS单元每一侧具有55.050μm的尺寸，第二MEMS单元每一侧具有55.500μm的尺寸，并且最后一个MEMS单元每一侧具有63.975μm的尺寸，具有+/-7.5％的总扩展。应该理解，图12a和图12b的实例仅仅是许多可能示例性实施方式中的一种。在本发明的可选实施例中，总的扩展可以不同，并且设备尺寸如何分配也不同。
由于每个MEMS单元都具有不同的尺寸，所以每个MEMS单元都具有不同的谐振频率。因此，当被输入激励信号刺激时，每个MEMS单元都在不同的频率下自鸣。在特定的时间周期处，自鸣振幅由于相干相消而可能较小，或者自鸣振幅由于相干相消而可能较大。在各个实施例中，与具有均等大小的MEMS的组件相比，降低了自鸣。在一个实施例中，选择MEMS单元的大小，使得MEMS单元的谐振频率扩展，从而可以在发生相干相消的适当时间周期期间测量和/或采样MEMS单元的输出，从而减小或最小化由于MEMS单元的自鸣响应而引起的测量误差。
在本发明的实施例中，最小和最大的MEMS传感器单元之间的总几何扩展以及如何分配单元大小可以通过执行仿真以确定针对特定MEMS传感器单元的大小扩展如何影响复合响应的自鸣的降低来确定。在一个具体实施例中，每个单元的尺寸的变化限制在7.5％内。然而，这仅是一个实例，并且在本发明的可选实施例中，尺寸变化的限制可以大于或小于7.5％。
图13示出了利用MEMS压力传感器的输出波形的示图，其中每个MEMS单元都具有相同尺寸和相同的谐振频率。水平轴表示以毫秒为单位的时间，以及垂直轴表示输出的标准化值。波形1300示出了当利用方波输入激励信号刺激时的输出自鸣的标准化振幅。波形表示自鸣的较大稳定时间和较大振幅。
图14示出了利用MEMS压力传感器的输出波形的示图，其中每个单位单元具有不同的尺寸并且谐振频率扩展。水平轴表示以秒为单位的时间，以及垂直轴表示输出的标准化值。如图所示，时间响应的稳定时间快于图13(其中所有MEMS单元都具有相同尺寸)的示图所表示的实施例。在一个实施例中，ADC可以在自鸣响应最小的时刻采样MEMS压力传感器的输出。在图14的示图表示的具体实施例中，当标准化自鸣响应小于0.1％时，这种时间例如可以包括大约2μs和大约4μs之间或者6μs和9μs之间。在可选实施例中，可以根据特定实施例及其规格来使用其他稳定时间和采样周期。因此，在各个实施例中，MEMS谐振频率和采样时钟频率可以随时间或温度或电源电压变化，而损失本示例性方法的优势。
图15示出了输出波形的频谱的示图，其中谐振频率扩展。水平轴表示频率且垂直轴表示幅度。在一个实施例中，谐振频率在4.5MHz和6.2MHz之间扩展。
图16示出了包括表示输出电压自鸣的两个模拟波形的比较示图。波形1602是包括MEMS压力传感器阵列的实施例，其中每个单位单元都具有相同的尺寸和谐振频率；而波形1604是包括MEMS压力传感器阵列的实施例，其中每个单位单元都具有不同的尺寸。波形1602示出了大约6uV的峰值-峰值的自鸣振幅，以及波形1604示出了大约1uV的峰值-峰值的自鸣振幅。
根据各个实施例，电路或系统可以被配置为通过具有安装在系统上的硬件、软件、固件或它们的组合(在操作中使系统执行动作)来执行特定的操作或动作。一个一般的方面包括用于使用微机电系统(MEMS)设备执行测量的方法，其中MEMS设备包括多个MEMS传感器，其中多个MEMS传感器包括不同的谐振频率。该方法包括：向MEMS设备的第一端口施加激励信号，其中多个MEMS传感器中的每一个都被激励信号所刺激；测量MEMS设备的第二端口处的信号；以及基于测量信号确定测量值。该方面的其他实施例包括被配置为执行方法的各个动作的对应电路和系统。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。在该方法中，MEMS设备包括MEMS压力传感器，并且测量值包括压力。在该方法中，桥式结构包括：第一分支，具有耦合至第一电容器的MEMS传感器的第一组；以及第二分支，具有耦合至第二电容器的MEMS传感器的第二组。在该方法中，多个MEMS传感器中的每一个都包括不同的大小尺寸。在该方法中，大小尺寸可以改变大约+/-7.5％。在该方法中，均匀地分配大小尺寸。在该方法中，多个MEMS传感器以桥式结构进行耦合。在该方法中，测量MEMS设备的第二端口处的信号包括执行A/D转换。在该方法中，MEMS设备的瞬态响应包括不同谐振频率的自鸣，并且自鸣包括结构干扰的时间间隔和相干相消的间隔。在该方法中，测量MEMS设备的第二端口处的信号包括：在相干相消的间隔期间测量MEMS设备的第二端口处的信号。在该方法中，测量信号还包括在相干相消的间隔期间采样信号。在该方法中，测量信号还包括在相干相消的间隔期间执行信号的A/D转换。所述技术的实施可包括硬件、方法或工艺或者计算机可访问介质上的计算机软件。
一个一般的方面包括一种系统，包括：微机电系统(MEMS)传感器阵列，包括桥，桥包括第一桥段和第二桥段，其中第一桥段包括耦合至第一参考MEMS电容器的第一压敏MEMS传感器，其中第一压敏MEMS传感器包括具有不同谐振频率的多个MEMS传感器的第一阵列。本方面的其他实施例包括被配置为执行方法的各个动作的对应电路和系统。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。在该系统中，第二桥段包括耦合至第二参考MEMS电容器的第二压敏MEMS传感器，其中第二压敏MEMS传感器包括具有不同谐振频率的多个MEMS传感器的第二阵列。在该系统中，第一阵列的多个MEMS传感器并联耦合；并且第二阵列的多个MEMS传感器并联耦合。在该系统中，第一阵列的多个MEMS传感器是矩形的。在该系统中，第一阵列的多个MEMS传感器都具有不同的尺寸。在该系统中，不同的尺寸包括不同的长度。在该系统中，不同的长度可具有大约+/-7.5％的变化。该系统还包括：激励发生器，具有耦合至MEMS传感器阵列的第一端口的输出；以及测量电路，具有耦合至MEMS传感器阵列的第二端口的输入。在该系统中，测量电路包括A/D转换器。该系统还包括耦合至A/D转换器的输出的滤波器。在该系统中，滤波器包括低通滤波器。所述技术的实施方式可以包括硬件、方法或工艺或者计算机可访问介质上的计算机软件。
另一个一般的方面包括一种包含MEMS设备的系统，所述MEMS设备包括具有不同谐振频率的多个MEMS传感器，激励信号发生器耦合至MEMS设备的第一端口。激励信号发生器被配置为产生激励信号，并且多个MEMS传感器中的每一个均被配置为被激励信号刺激。该系统进一步包括耦合至MEMS设备的第二端口的测量电路。本方面的其他实施例包括被配置为执行方法的各个动作的对应电路和系统。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。在该系统中，测量电路被配置为在相干相消的间隔期间测量MEMS设备的第二端口处的信号。在该系统中，测量电路包括A/D转换器。
一些实施例的优势包括当电容MEMS阵列设计有具有不同尺寸和谐振频率的MEMS单元时降低自鸣的效应的能力。
第四实施例
在第四实施例中，过采样模数转换器(ADC)用于监控MEMS传感器的输出。为了缓解过采样ADC中的空闲音调，抖动时钟用于操作过采样ADC。在一些实施例中，抖动时钟信号可以根据本文公开的第二实施例来生成。
根据各个实施例，使用Σ-Δ型模数转换器(ADC)来执行模拟信号到数字域的转换。各个示例性Σ-Δ型ADC包括反馈和参考电源。对于压力感应，测量信号通常在接近DC的非常低的频率处。例如，压力感应可以测量0至10Hz的输入信号。发明人已经确定，Σ-Δ型ADC中存在的空闲音调以乘法方式与参考电压源中的噪声交互以产生DC处的误差分量。在各个实施例中，Σ-Δ型ADC设置有抖动时钟以扩展噪声分量并降低或去除DC处的误差分量。在这种实施例中，抖动时钟用作用于接口电路的系统时钟，其中接口电路例如包括电压电源电路、Σ-Δ型ADC、输出滤波器或其他部件。
图17示出了示例性MEMS压力传感器系统1700的系统框图，其包括MEMS压力传感器1702、输出电路1704、抖动时钟1706和电源电路1708。根据各个实施例，MEMS压力传感器1702将物理压力测量值PMES转换为模拟信号AMES。MEMS压力传感器1702接收来自电源电路1708的电压参考VREF，电源电路1708可以基于来自抖动时钟1706的抖动时钟信号CLK生成切换电压作为电压参考VREF。电源电路1708还可以向输出电路1704提供电压参考VREF。输出电路1704接收模拟信号AMES并基于模拟信号AMES生成数字压力信号DMES。
在各个实施例中，输出电路1704进行操作以放大、转换和滤波模拟信号AMES以生成数字压力信号DMES。在这种实施例中，输出电路包括Σ-Δ型ADC，其基于被来自抖动时钟1706的抖动时钟信号CLK控制的采样时间将模拟信号AMES转换为数字压力信号DMES。基于抖动时钟的Σ-Δ型ADC的操作可以减少或去除通过来自Σ-Δ型ADC的空闲音调与电压参考VREF中的噪声的干扰而生成的DC噪声分量。
图18示出了又一示例性MEMS压力传感器系统1800的示意性框图，其包括差分输出MEMS压力换能器1802和专用集成电路(ASIC)1803，ASIC 1803进一步包括输出电路1804、抖动时钟1806和电压参考电源1808。输出电路1804包括放大器1810、递增Σ-Δ型ADC 1812和抽选滤波器1814。MEMS压力传感器系统1800可以是上面参照图17描述的MEMS压力传感器系统1700的一种实施方式。
根据各个实施例中，差分输出电容MEMS压力换能器1802将物理压力信号转换为差分模拟输出(包括模拟信号A+和A-)。差分输出电容MEMS压力换能器1802包括与参考电容结构1822和参考电容结构1826连接的可变电容结构1820和可变电容结构1824作为电容桥，从如图所示的电容桥的每个分支的中心节点输出模拟信号A+和A-。在这种实施例中，参考电容结构1822和参考电容结构1826可以由通过介电间隔件隔开的导电结构形成，即形成平行板，其中导电结构的间隔是固定的并且不响应于压力改变而变化。可变电容结构1820和可变电容结构1824由通过间隔距离隔开的导电结构形成，其中导电结构的间隔取决于施加至导电结构的压力。例如，可变电容结构1820和可变电容结构1824均可以包括形成在衬底上方的密封腔上方的可偏转隔膜，在隔膜下方具有导电扩展区域。在这种实施例中，可变电容结构的隔膜可以由于外表面和密封腔之间的压差而偏转。这种偏转影响隔膜与导电扩展区域之间的电容，在隔膜和导电扩散区域的电接触件处测量电容。参考电容结构1822和参考电容结构1826均可以具有类似的结构，其中腔填充有介电间隔材料。在其他实施例中，许多类型的电容压力传感器可用于差分输出电容MEMS压力换能器1802，其例如包括电容梳状驱动结构、多个板释放电容板结构或者其他电容MEMS结构。
在各个实施例中，从差分输出电容MEMS压力换能器1802向放大器1810提供包括模拟信号A+和A-的差分模拟输出，放大器1810放大差分信号并向递增Σ-Δ型ADC 1812提供与测量的物理压力成比例的放大模拟电信号。在其他实施例中，递增Σ-Δ型ADC 1812可以是任何类型的Σ-Δ型ADC。在一个具体实施例中，递增Σ-Δ型ADC 1812在结束操作之前操作一组持续时间或者多个采样，因此被称为递增。这种实施例可以降低功耗。递增Σ-Δ型ADC 1812开始在固定的时间延迟上或者响应于阈值等级之上的压力变化开始操作(例如，唤醒)。在一些实施例中，ADC 1812在例如通过目标精度设置确定的特定时间段内上电，然后断开直到请求下一转换。
在各个实施例中，递增Σ-Δ型ADC 1812根据抖动时钟信号CLK来操作，以生成与输入放大模拟电信号成比例的数字输出信号，其中输入放大模拟电信号与来自差分输出电容MEMS压力换能器1802的测量物理压力成比例。递增Σ-Δ型ADC 1812包括连续调整数字输出信号的反馈机制。以下参照图21a和图21b提供两个示例性Σ-Δ型ADC的进一步的描述。
在各个实施例中，来自递增Σ-Δ型ADC 1812的数字输出信号可以具有高位速率。例如，递增Σ-Δ型ADC 1812可以包括比预期的采样率高1000或10000倍的级别的采样率，即过采样率。在一个具体实施例中，递增Σ-Δ型ADC 1812可以基于160kHz的采样率(其对应于每秒160,000个采样)输出数字信号。对于这种系统，预期的数字输出信号可以仅为10Hz。在这种实施例中，抽选滤波器1814将160kHz的信号减小至10Hz，并在10Hz频率处输出数字输出信号DOUT，其与来自差分输出电容MEMS压力换能器1802的测量物理压力信号成比例。因此，抽选滤波器1814将位速率降低16,000倍。在其他实施例中，抽选滤波器1814可以将位速率降低其他倍数。
根据各个实施例，抖动时钟1806将抖动时钟信号CLK提供给递增Σ-Δ型ADC 1812，用于控制Σ-Δ型ADC的采样率。在各个实施例中，抖动时钟信号CLK还可以提供给电压参考电源1808、放大器1810或抽选滤波器1814。抖动时钟1806生成具有跳动或随机周期的抖动时钟信号CLK。通常，时钟信号生成有固定或恒定的周期，例如包括恒定的自鸣或逻辑高持续时间以及恒定的下降或逻辑低持续时间。在抖动时钟1806的情况下，调整上升或逻辑高持续时间以及下降或逻辑低持续时间。在这种实施例中，抖动时钟信号CLK的调整可以是随机或伪随机的。因此，抖动时钟信号CLK被生成为故意包括具有变化的上升或逻辑高持续时间或者变化的下降或逻辑低持续时间的大量时钟跳动。
在各个实施例中，电压参考电源1808向递增Σ-Δ型ADC 1812提供电压参考VREF，从而向ADC提供电能。电压参考电源1808还可以向差分输出电容MEMS压力换能器1802提供参考电压，以偏置电容结构。具体地，电压参考电源1808提供正参考电压V+和负参考电压V-。在一些具体实施例中，电压参考电源1808向差分输出电容MEMS压力换能器1802提供脉冲参考电压。在这种实施例中，电压参考电源1808可以包括断流开关以切换提供给差分输出电容MEMS压力换能器1802的参考电压。
在各个实施例中，差分输出电容MEMS压力换能器1802和ASIC1803形成在独立的晶圆或管芯上。在其他实施例中，差分输出电容MEMS压力换能器1802和ASIC 1803形成在相同的晶圆或管芯上，诸如单个集成电路(IC)管芯。
图19a和图19b示出了在Σ-Δ型ADC中生成的示例性噪声信号的波形图。图19a示出了绘制示出Σ-Δ型ADC的输出的快速傅里叶变换(FFT)的曲线1901，其还示出了分别处于大约65kHz和95kHz处的空闲音调1912和空闲音调1914。如图所示，空闲音调是输出中的特定频率处不想要的位序列，其不基于Σ-Δ型ADC的输入信号。这些空闲音调是Σ-Δ型ADC中的反馈机制的产物，并且可以在ADC的输入信号不“忙”时存在。在一些情况下，当ADC使用一位(2等级)均衡器时，空闲音调可以尤其强。这种情况可应用于示例性压力传感器，其使用具有一位均衡器的Σ-Δ型ADC来用于良好的线性。
图19b示出了表示Σ-Δ型ADC的位数(其表示近似精度)的曲线1900。曲线1900通过在Σ-Δ型ADC的参考电压处引入不想要的正弦波来生成，以确定Σ-Δ型ADC相对于电源电压波纹的鲁棒性。该正弦波的频率从0到160kHz，并且测量积分噪声。因此，ADC对Vref(其具有与空闲音调相同的频率)处的干扰最敏感。由于空闲音调频率随着Σ-Δ型ADC的DC输入等级(其在一些实施例中可以是来自MEMS传感器的测量压力)而变化，所以对干扰的敏感性随ADC输入而变化。这种行为在一些实施例中是存在问题的，因为难以预测空闲音调是否在特定应用中引起问题。在该示例性Σ-Δ型ADC中，存在分别与图19a所示的空闲音调1912和1914的频率相对应的点1902和1904处的大约65kHz和95kHz的精度的剧烈降低。
如上简要所述，发明人已经确定，Σ-Δ型ADC中存在的空闲音调以乘法方式与参考电压电源中的噪声交互以产生DC处的误差分量。因此，空闲音调1902和空闲音调1904可以与提供给Σ-Δ型ADC的参考电压中的噪声交互。如上面参照图17和图18所述，各个实施例包括向Σ-Δ型ADC提供抖动时钟信号CLK。在这种实施例中，空闲音调(诸如空闲音调1902和空闲音调1904)的尖锐值在频谱上被分散，并且减少或去除了根据空闲音调与参考电压电源中的噪声组合产生的DC处的噪声分量。在图20中示出了示例性噪声曲线。
图20示出了在不具有抖动时钟(曲线2000)和具有抖动时钟(曲线2001)的情况下在Σ-Δ型ADC中生成的噪声信号的波形图，示出了相对于参考电压打扰频率的分辨率的比较。如图所示，具有标准非抖动时钟(曲线2000)的示例性Σ-Δ型ADC在与上面的图19所示的空闲音调1912和1914相对应的点2002和2004处显示出性能的损失。然而，具有抖动时钟的示例性Σ-Δ型ADC基本上不会在空闲音调频率处损失噪声性能。如曲线2001所示，在65kHz和95kHz空闲音调频率处显著降低了噪声性能的损失。在这种实施例中，时钟抖动可以扩展空闲音调的频谱，并且减少或去除由空闲音调和参考电压电源中的噪声的乘法交互而产生的DC噪声分量。
图21a和图21b示出了示例性Σ-Δ型ADC 2100和2101的示意性框图。图21a示出了离散时间Σ-Δ型ADC 2100，其包括采样开关2102、回路滤波器2104、比较器2106、数模转换器(DAC)2108和加法器2110。根据各个实施例，离散时间Σ-Δ型ADC 2100在采样开关2101处接收模拟输入信号AIN。模拟输入信号AIN可以是从耦合至电容MEMS压力换能器的放大器接收的放大模拟信号，诸如来自上面参照图18所述的放大器1810。因此，模拟输入信号AIN例如可以与测量物理压力信号成比例。
在各个实施例中，采样开关2102被抖动时钟信号CLK控制，该抖动时钟信号可以从上面参照图17和图18描述的抖动时钟1706或1806提供。抖动时钟信号CLK使得采样开关2102根据等于抖动时钟信号CLK的频率的采样率来接通和断开。因此，采样开关2102生成采样模拟输入信号SAIN，通过加法器2110将其提供给回路滤波器2104。通过采样，模拟信号不再是连续信号，而是离散采样的模拟输入信号SAIN。在这种实施例中，回路滤波器2104可以实施为低通滤波器(LPF)，以去除高频分量。在一些实施例中，回路滤波器2104被实施为积分器。
根据各个实施例，在回路滤波器2104中滤波之后，采样和滤波模拟输入信号被提供给比较器2106，比较器2106将输入信号与阈值进行比较。例如，阈值可以为0V。基于比较，比较器2106提供数字输出信号DOUT。数字输出信号DOUT中的位流与模拟输入信号AIN成比例。此外，通过DAC 2108提供数字输出信号DOUT返回到加法器2110。在这种实施例中，向DAC 2108提供电压参考VREF，诸如来自上面参照图17和图18描述的电源电路1708或电压参考电源1808。
如本文所讨论的，一些Σ-Δ型ADC的反馈回路可以生成空闲音调，并且在电压参考VREF中可能存在噪声。在这种ADC中，这两个误差源可以通过DAC乘法组合以形成DC误差分量。在各个实施例中，来自抖动时钟的抖动时钟信号CLK的引入扩展空闲音调的频率，并且减少或去除了DC误差分量。加法器2110将DAC 2108的恢复模拟输出与采样模拟输入SAIN组合以提供用于改进性能的反馈。
图21b示出了连续时间Σ-Δ型ADC 2101，其包括回路滤波器2105、计时比较器2112、DAC 2108和加法器2110。根据各个实施例，连续时间Σ-Δ型ADC 2101如上面参照图21a的离散时间Σ-Δ型ADC 2100所述进行操作，其中去除了采样开关2102，用回路滤波器2105替代回路滤波器2104，并且用计时比较器2112代替比较器2106。在这种实施例中，通过加法器2110将模拟输入信号AIN提供给回路滤波器2105。回路滤波器2105可以如参照回路滤波器2104所述进行操作，但是被配置为接收模拟输入信号AIN中的连续时间信号来代替采样模拟输入信号SAIN中的离散采样信号。
在各个实施例中，计时比较器2112将滤波模拟输入信号与阈值电压进行比较，并提供利用抖动时钟信号CLK的转换结果以生成数字输出信号DOUT。在一些实施例中，阈值电压可以为0伏特、VDD/2和/或其他阈值电压。在这种实施例中，抖动时钟信号CLK确定连续时间Σ-Δ型ADC 2101的采样率。如上面参照图21a所述，DAC 2108通过加法器2110提供反馈。
在这种实施例中，向计时比较器2112提供抖动时钟信号CLK提供了与上面参照其他附图中的抖动时钟信号CLK所述相同的优势。
图22示出了用于传感器的操作2200的示例性方法的框图。操作2200的方法包括步骤2202-2212。根据各个实施例，步骤2202包括将压力信号转换为电信号。压力信号可以使用电容MEMS压力换能器来测量和转换。步骤2204包括通过放大电信号来生成放大电信号。例如，电信号可以通过差分输入放大器来放大。步骤2206包括生成抖动时钟信号。在这种实施例中，在传感器系统中包括抖动时钟以生成抖动时钟信号。在步骤2207中，参考电压被提供给Σ-Δ型ADC。
根据各个实施例，步骤2208包括使用Σ-Δ型ADC将放大的电信号转换为数字信号，其中利用被步骤2206中生成的抖动时钟信号控制的采样时间来操作Σ-Δ型ADC。在各个实施例中，步骤2202-2208可以被重新配置并以其他顺序来执行，并且操作2200的方法可以被修改以包括附加步骤。
根据各个实施例，电路或系统可以被配置为通过具有安装在系统上的硬件、软件、固件或它们的组合(在操作中使系统执行动作)来执行具体的操作或动作。一个一般方面包括传感器，传感器包括：微机电系统(MEMS)压力换能器；放大器，耦合至MEMS压力换能器；Σ-Δ型模数转换器(ADC)，耦合至放大器；抖动时钟，耦合至Σ-Δ型ADC并被配置为使用抖动时钟信号控制Σ-Δ型ADC的采样时间；以及电源电压电路，耦合至Σ-Δ型ADC和抖动时钟，其中电源电压电路被配置为基于抖动时钟工作。本方面的其他实施例包括对应的电路和系统，被配置为执行方法的各种动作。
一个一般方面包括操作传感器的方法，该方法包括：将压力信号换能为电信号；通过放大电信号生成放大的电信号；生成抖动时钟信号；使用按照由抖动时钟信号控制的采样时间进行操作的Σ-Δ型模数转换器(ADC)，将放大的电信号转换为数字信号；基于抖动时钟信号生成参考电压；以及将参考电压提供至Σ-ΔADC。本方面的其他实施例包括对应的电路和系统，被配置为执行方法的各种动作。
一个一般方面包括微机电系统(MEMS)电容压力传感器系统，其包括差分输出MEMS电容压力传感器，其包括第一参考电容结构、被配置为参考第一压力信号改变第一电容值的第一可变电容结构、耦合在第一参考电容结构和第一可变电容结构之间的第一输出、第二参考电容结构、被配置为参考第二压力信号改变第二电容值的第二可变电容结构以及耦合在第二参考电容结构与第二可变电容结构之间的第二输出。MEMS电容压力传感器系统还包括：差分放大器，耦合至差分输出MEMS电容压力传感器的第一输出和第二输出；Σ-Δ型模数转换器(ADC)，耦合至差分放大器的输出；抖动时钟，耦合至Σ-Δ型ADC并被配置为使用抖动时钟信号控制Σ-Δ型ADC的采样时间；以及电源电压电路，耦合至Σ-Δ型ADC。本方面的其他实施例包括对应的电路和系统，被配置为执行方法的各种动作。
在一些具体实施例中，具有根据由抖动时钟生成的抖动时钟信号操作的Σ-Δ型ADC的MEMS压力换能器是尤其有利的。在这种具体实施例中，如上所述，绝对压力测量或非常低频的压力测量具体被来自空闲音调和参考电压噪声的DC噪声所影响。因此，这些具体实施例包括降低噪声或减少DC和非常低频测量处的误差分量的优势，这使得提高了灵敏度或较大的分辨率。
一些实施例的又一些优势包括具有非常强健的传感器，其不太受传感器供应节点处的干扰所影响，尤其不受具有与ADC空闲音调相同或相似频率的音调干扰的影响。
虽然参照所示实施例描述了本发明，但说明书不用于限制。本领域技术人员在说明书的基础上明白所示实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例。因此，所附权利要求包括任何这些修改或实施例。

Claims (34)

1.一种利用电容传感器执行测量的方法，所述方法包括：
生成周期性激励信号，所述周期性激励信号包括一系列脉冲；
平滑所述一系列脉冲的边缘过渡以形成成形的周期性激励信号，其中所述成形的周期性激励信号包括所平滑的边缘过渡之间的平坦区域；
将所成形的周期性激励信号提供给所述电容传感器的第一端口；以及
测量通过所述电容传感器的第二端口提供的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中测量通过所述电容传感器的第二端口提供的信号包括执行模数转换。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所测量的信号确定输出测量值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所确定的输出测量值包括压力测量值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中平滑边缘过渡包括基于所生成的周期性激励信号生成第一倾斜信号，以形成倾斜激励信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中平滑边缘过渡还包括对所述第一倾斜信号进行积分以形成所成形的周期性激励信号。
7.根据权利要求5所述的方法，还包括基于所成形的周期性激励信号和所述周期性激励信号之间的计时差来调整所述第一倾斜信号的斜率。
8.根据权利要求5所述的方法，其中生成所述第一倾斜信号包括利用第一电流源对电容器进行充电，以及利用第二电流源对所述电容器放电。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括基于所成形的周期性激励信号和所述周期性激励信号之间的计时差，调整所述第一倾斜信号的斜率，其中调整所述斜率包括调整所述第一电流源和所述第二电流源的电流。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括确定所成形的周期性激励信号和所述周期性激励信号之间的计时差。
11.根据权利要求10所述的方法，其中确定所述计时差包括使用相位检测器。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述电容传感器包括MEMS传感器。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述MEMS传感器包括传感器桥，所述传感器桥具有：第一分支，具有第一MEMS压力传感器和第一电容器；以及第二分支，具有第二MEMS压力传感器和第二电容器。
14.一种系统，包括：
激励发生器，被配置为耦合至电容传感器的第一端口，所述激励发生器包括
脉冲发生器；以及
脉冲平滑电路，耦合至所述脉冲发生器的输出，
其中所述脉冲平滑电路的输出被配置为耦合至所述电容传感器的所述第一端口，其中所述脉冲平滑电路被配置为生成在边缘过渡区域之间具有平坦区域的成形的周期性激励信号。
15.根据权利要求14所述的系统，还包括读出电路，被配置为耦合至所述电容传感器的第二端口。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述读出电路包括被配置为耦合至所述电容传感器的所述第二端口的A/D转换器。
17.根据权利要求15所述的系统，其中所述读出电路被配置为基于来自所述电容传感器的所述第二端口的信号确定所述电容传感器的响应。
18.根据权利要求17所述的系统，还包括所述电容传感器。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述电容传感器包括MEMS传感器。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述MEMS传感器包括传感器桥，所述传感器桥具有：第一分支，具有第一MEMS压力传感器和第一电容器；以及第二分支，具有第二MEMS压力传感器和第二电容器。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述脉冲平滑电路包括斜坡发生器，所述斜坡发生器具有耦合至所述脉冲发生器的输出的输入。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述斜坡发生器包括耦合至第一电容器的第一电流源和第二电流源。
23.根据权利要求21所述的系统，其中所述脉冲平滑电路还包括耦合至所述斜坡发生器的输出的积分器，其中所述积分器的输出耦合至所述脉冲平滑电路的输出。
24.根据权利要求23所述的系统，还包括相位检测器，所述相位检测器具有耦合至所述脉冲发生器的输出的第一输入以及耦合至所述积分器的输出的第二输入，其中所述相位检测器的输出被配置为控制所述斜坡发生器的输出处的信号的斜率。
25.根据权利要求24所述的系统，还包括耦合至所述相位检测器的输出的电荷泵以及耦合至所述电荷泵的输出的第二电容器。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述斜坡发生器的输出处的信号的斜率基于所述第二电容器两端的电压。
27.根据权利要求14所述的系统，其中所述激励发生器被设置在集成电路上。
28.根据权利要求27所述的系统，其中所述电容传感器被进一步设置在所述集成电路上。
29.根据权利要求28所述的系统，其中所述脉冲平滑电路包括：
第一积分器，耦合至所述脉冲发生器的输出；以及
第二积分器，耦合至所述第一积分器的输出，其中所述第二积分器的输出耦合至所述脉冲平滑电路的输出。
30.根据权利要求29所述的系统，还包括相位检测器，所述相位检测器具有耦合至所述脉冲发生器的输出的第一输入和耦合至所述第一积分器的输出的第二输入，其中所述相位检测器的输出被配置为控制所述第一积分器的斜率。
31.根据权利要求30所述的系统，其中所述第一积分器包括耦合至积分电容器的多个电流源，并且控制所述第一积分器的斜率包括基于所述相位检测器的输出调整所述多个电流源的电流。
32.一种系统，包括：
微机电系统(MEMS)设备；
激励脉冲发生器，耦合至所述MEMS设备的第一端口，其中所述激励脉冲发生器被配置为：
生成周期性激励信号，所述周期性激励信号包括一系列脉冲；并
平滑所述一系列脉冲的边缘过渡以形成成形的周期性激励信号，其中所述成形的周期性激励信号包括所平滑的边缘过渡之间的平坦区域；以及
读出电路，耦合至所述MEMS设备的第二端口。
33.根据权利要求32所述的系统，其中所述读出电路包括A/D转换器。
34.根据权利要求32所述的系统，其中所述激励脉冲发生器包括：
脉冲发生器；
斜坡发生器，耦合至所述脉冲发生器的输出；
积分器，耦合至所述斜坡发生器的输出；
比较器，耦合至所述斜坡发生器的输出；以及
相位检测器，具有耦合至所述脉冲发生器的输出的第一输入、耦合至所述比较器的输出的第二输入、以及耦合至所述斜坡发生器的斜率控制输入的输出。
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