CN107085124B - 一种全差分力平衡模式mems加速度传感器信号处理电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全差分力平衡模式MEMS加速度传感器信号处理电路，包括全差分开关电容电路、采样保持电路、仪表放大器、多相时钟电路、参考源电路，全差分开关电容电路对MEMS变化电容进行检测，输出差分信号经过采样保持电路，连接到仪表放大器，并通过仪表放大器把差分信号转换为单端输出信号。本发明的加速度传感器信号处理电路能实现高精度、低噪声的电压输出；本发明设计的加速度传感器信号处理电路工作在力平衡的二阶模拟闭环系统，可以将前端检测电路输出电压转换为静电力反馈给中间极板，使得质量块保持在平衡位置附近振动，具有很高的灵敏度。

Description

一种全差分力平衡模式MEMS加速度传感器信号处理电路

技术领域

本发明属于MEMS传感器设计领域，具体涉及了一种全差分力平衡模式MEMS加速度传感器信号处理电路。。

背景技术

对于MEMS电容式加速度传感器，由于等效电容通常在10E-12F量级，甚至更小，而敏感电容的变化量则在10E-15-10E-18F量级，因此ASIC接口电路需处理的信号非常微弱，所以低噪声、抗干扰能力强的前微弱信号检测电路是MEMS电容式加速度传感器的关键技术之一。

从检测端数来分，前端检测电路分为单端检测和差分检测两种，单端检测比差分检测结构简单，但也存在零点偏移比较严重，噪声比较大；而差分检测电路极大提高了电源抑制比，能够对衬底噪声和开关的电荷注入效应等共模误差具有一阶抵消的作用，弱化了谐波失真。然而，输入电压的失调依然很大地影响着微弱信号检测电路的精度，进而限制了系统的性能。

开环加速度传感器系统包括接口电路和MEMS加速度计两个部分，没有反馈，结构简单，易于实现。当加速度传感器工作在开环状态时，由于动态范围、带宽等性能的限制，传感器受到一较小的外加速度时，传感器输出便达到饱和。为了增加加速度传感器的动态范围，通过静电力的作用，使活动质量块维持在中心平衡位置，传感器工作在闭环状态。当检测加速度时，结构之发生较小的形变，从而使结构部分带来的非线性达到最小化。因此闭环工作不仅仅能够实现理想的动态范围，还能够满足线性度的要求。然而，与开环系统不同的是，闭环系统存在着不稳定的隐患，因此在系统设计时如何使系统稳定是一项关键问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明提供一种新型的全差分力平衡模式MEMS加速度传感器信号处理电路。

本发明采用的技术方案如下：一种全差分力平衡模式MEMS加速度传感器信号处理电路，包括全差分开关电容电路、采样保持电路、仪表放大器、多相时钟电路、参考源电路，全差分开关电容电路对MEMS变化电容进行检测，输出差分信号经过采样保持电路，连接到仪表放大器，并通过仪表放大器把差分信号转换为单端输出信号。

进一步地，MEMS加速度传感器的上下极板与多相时钟电路控制的开关相连，其中间极板与全差分开关电容电路相连；全差分开关电容电路的另一个输入端连接一个与MEMS加速度传感器等效电容大小相等的片外电容，该片外电容另一端接至地电位。

进一步地，仪表放大器包括两个单位增益缓冲器和一个减法器。

进一步地，还包括电容补偿阵列，所述可编程电容补偿阵列与MEMS电容并联，对MEMS电容进行补偿。

进一步地，本发明的MEMS加速度传感器信号处理电路，通过检测MEMS加速度传感器上极板等效电容C1和下极板等效电容C2的变化，在上极板、中间质量块和下极板上加不同的静电力反馈电压，提供向上反馈力或向下反馈力使中间质量块恢复到平衡位置，具体包括两种工作模式：启动模式和运行模式，读出电路启动时为启动模式，该模式用于启动时将质量块恢复到基本平衡位置，具体包括：S1，调制力反馈阶段，默认初始状态为MEMS加速度传感器上极板接正向参考电压VRP，下极板接负向参考电压VRN，中间极板接信号处理电路输出电压值Vout，产生一个向上的静电力力作用于MEMS加速度传感器上，后续周期则通过上一周期信号处理电路读出放大阶段检测的电容差值进行判断，当C1>C2时，加速度计工作在向上力反馈方式，则给MEMS加速度传感器上极板接正向参考电压VRP，下极板接负向参考电压VRN，中间极板接信号处理电路输出电压值Vout；当C1<C2时，上下极板所接的参考电压VRP、VRN互换；S2，电压均衡阶段，首先中间极板接地，此时加在中间质量块与上、下极板之间的电压相等，然后中间极板接入信号处理电路，处于虚地状态，以快速泄放电荷，可以在后续步骤中消除运放的失调；S3，读出放大阶段，该步骤下信号处理电路用来检测MEMS加速度传感器上极板等效电容C1与下极板等效电容C2的电容差值，并进行读出放大；运行模式用于确定MEMS传感器中间质量块位置，抵消1g重力加速度的影响，并使其达到平衡稳定状态，具体包括：S1，复位置零阶段，该状态下MEMS电容的上极板、下极板和中间极板均接模拟地电位GND，使得没有力反馈到传感器上；S2，调制力反馈阶段，在此步骤，利用信号处理电路上一周期计算出的输出电压值Vout得到上下极板等效电容差值，当C1>C2时，加速度计工作在向上力反馈方式，则给MEMS加速度传感器上极板接正向参考电压VRP，下极板接负向参考电压VRN，中间极板接信号处理电路输出电压值Vout；当C1<C2时，加速度计工作在向下力反馈方式，则给MEMS加速度传感器上极板接正向参考电压VRN，下极板接负向参考电压VRP，中间极板接信号处理电路输出电压值Vout；S3，复位置零阶段，此步骤具体操作同运行模式的S1；S4，电压均衡阶段，此步骤具体操作方式同启动模式的S2；S5，读出放大阶段，信号处理电路检测MEMS加速度传感器上极板等效电容C1与下极板等效电容C2的电容差值，并进行读出放大；至此，运行模式完成一个工作周期，接下来将依次循环工作，质量块将在静电力反馈作用下保持在平衡位置附近振动。

本发明的优点：本发明的加速度传感器信号处理电路能实现高精度、低噪声的电压输出；本发明设计的加速度传感器信号处理电路工作在力平衡的二阶模拟闭环系统，可以将前端检测电路输出电压转换为静电力反馈给中间极板，使得质量块保持在平衡位置附近振动，具有很高的灵敏度。

附图说明

图1是本发明的加速度传感器信号处理电路原理框图；

图2是本发明的全差分开关电容电路原理图；

图3是本发明的仪表放大器电路原理图；

图4是MEMS加速度传感器信号处理电路二阶模拟闭环工作流程图；

图5a是MEMS信号处理电路启动模式工作时序图；

图5b是MEMS信号处理电路运行模式工作时序图；

图6a是启动模式调制力反馈(向上)模式加速度计工作状态示意图；

图6b是启动模式电压均衡接地模式加速度计工作状态示意图；

图6c是启动模式电压均衡虚地模式加速度计工作状态示意图；

图6d是启动模式电压读出放大模式加速度计工作状态示意图；

图7a是运行模式复位置零模式加速度计工作状态示意图；

图7b是运行模式调制力反馈(向上)模式加速度计工作状态示意图；

图7c是运行模式复位置零模式加速度计工作状态示意图；

图7d是运行模式电压均衡接地模式加速度计工作状态示意图；

图7e是运行模式电压均衡虚地模式加速度计工作状态示意图；

图7f是运行模式电压读出放大模式加速度计工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的全差分力平衡模式MEMS加速度传感器信号处理电路包括MEMS加速度传感器的等效电容1、电容补偿阵列2、片外电容3、全差分开关电容电路4、参考源电路5、多相时钟电路6、采样保持电路7、仪表放大器10。

所述多相时钟电路6的输出信号控制前端全差分开关电容电路4中的开关；所述电容式加速度计上下极板与多相时钟电路6控制的开关相连，中间极板在前端放大电路放大模式时与前端全差分开关电容电路4相连；一个与MEMS加速度计等效电容大小相等的片外电容3，从外部接入前端全差分开关电容电路4的另一个输入端，并且该片外电容3另一端固定接地；前端全差分开关电容电路4的输出经过采样保持电路7接入下一级电路，其中还包含RC低通滤波器8和9进行降噪，再由仪表放大器10把差分信号转换成单端输出信号。

本发明中的仪表放大器包括两个单位增益缓冲器11和12以及一个减法器13。该仪表放大器的闭环增益可调，其增益分别为1、2、18/7和24。

图1中的模块1为MEMS电容，C1等效MEMS上极板电容值，C2等效MEMS下极板电容值。上下极板分别通过开关接入VRP、VRN、GND等电位，中间极板在前端放大电路处于放大模式时接入前端全差分放大电路输入端进行敏感电容的检测。

图1中的模块2为电容补偿阵列，与MEMS电容并联。该模块主要用于MEMS加速度计出厂的校正，以及用于消除MEMS加速度传感器机械部分寄生电容之间的不匹配。

图2为全差分开关电容电路，其输入分别为MEMS电容的中间极板和外接一个与MEMS等效电容大小相等的片外电容3，并且片外电容3另一端接地。该电路差分输出电压与待测敏感电容成正比，该输出电压可由以下公式确定：

图3中的模块7中的开关S1和电容C3一起构成采样保持电路，得到采样电压值作为后级的输入值。其中R1和C3构成低通滤波器，可以降低噪声。模块7’与模块7结构和功能相同。

图3中的模块11和12为单位增益缓冲器，结构和功能相同，都是用于后级的阻抗匹配。

图3中的模块13为减法器，用于对两差分信号进行减法操作，实现差分信号的单端输出。

图3中的模块11、模块12和模块13构成仪表放大器，用来实现微弱信号的精确放大。具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比以及低漂移、低噪声等特点,可以精确放大两输入端差分信号,同时抑制掉同时出现在两输入端的共模信号，并将差分输入转变为单端输出。

整体前端放大电路的输出电压与待检测电容成正比，该输出电压可由以下公式确定：

如图3所示，本发明的仪表放大器实现了两差分输入的单端输出，该输出电压可由以下公式确定：

如图3所示，R3和R4的大小由开关S3、S3’和S4控制，其中开关S3’控制信号由开关S3控制信号通过反相器001产生，开关S3和S3’有且只有一个导通，其具体关系可由以下公式确定：

R₃+R₄＝R₅+R₆+R₇+R₈

通过使能开关控制S3和S3’，进而控制R3和R4的大小。

当S4断开时，分为两种情况：

当S3闭合，S3’断开时，R₃＝R₅，R₄＝R₆+R₇+R₈，

当S3断开，S3’闭合时，R₃＝R₅+R₆，R₄＝R₇+R₈，

当S4闭合时，分为两种情况：

当S3闭合，S3’断开时，R₃＝R₅，R₄＝R₆+R₇，

当S3断开，S3’闭合时，R₃＝R₅+R₆，R₄＝R₇，

综上所述，该仪表放大器为一个增益可调运放，放大倍数分别为：1、2、18/7和24。

如图4所示，MEMS前端信号处理电路工作在一个力平衡的二阶模拟闭环系统，分为两种工作模式：启动模式和运行模式。本发明中的MEMS传感器采用三明治结构的电容加速度传感器，其中间质量块的初始状态因受到重力等作用力的影响，处于不平衡状态。而本发明的信号读出电路能将MEMS上下极板的电容变化转换为电压变化，进而检测出中间质量块的位移；力平衡二阶模拟闭环系统可以将检测出的电压信号反馈作用在MEMS传感器上，进而转化为静电力，使其达到平衡。具体工作实现如下所述：信号处理电路上电复位后，等待参考源电压VREF达到稳定以后，则进入启动模式，该模式主要是迅速消除1g重力加速度，将质量块迅速恢复到基本平衡位置，并且可以通过信号处理电路输出的数据计算重力加速度大小以及电容补偿阵列所需的补偿电容值，且这些值作为下一阶段的初始值；经过启动模式后，MEMS传感器已经进入基本稳定状态，进入运行模式：首先利用启动模式计算的电压变化在一定时间内反馈至中间极板(质量块)，产生静电力以抵消重力加速度的影响；并利用启动模式计算的电容差值对MEMS电容进行补偿，消除寄生电容给MEMS上下极板电容带来的不对称性。接下来系统对MEMS传感器上下极板杂散电容进行校正，设上极板等效电容为C1，下极板等效电容为C2，如果C1＝C2，则待前端信号处理电路输出稳定即完成系统的整个工作模式；如果C1≠C2，则继续对MEMS上下极板电容差进行计算，并对杂散电容值进行补偿，直到C1＝C2。两种工作模式都有向上力反馈与向下力反馈两种反馈力方式，即当质量块作用力向下时，则给质量块一个向上的反馈力使其达到平衡状态，当质量块作用力向上时，则给质量块一个向下的反馈力使其达到平衡状态。下面以向上力反馈为例简要说明本发明启动模式和运行模式两种模式下前端放大电路工作示意图。图5a和图5b分别为全差分开关电容电路中开关控制信号在启动模式和运行模式时的工作时序，从而可以得到两种模式下全差分开关电容电路的工作原理图，分别如图6a-图6d和图7a-图7f所示。图中的C1和C2分别为MEMS加速度计上下极板等效电容，上、中和下三个极板在不同的工作模式下分别接入相应的固定电位。

图6a为启动模式下调制力(向上)反馈模式加速度计工作状态示意图，该状态下MEMS电容的上极板接VRP，下极板接VRN，中间极板接前端信号处理电路输出电压Vout，不接入全差分放大电路的输入；在此步骤中，一个向上的静电力反馈作用于MEMS传感器上，用来抵消质量块所受的向下作用力；该步骤为调制力反馈阶段。

图6b为启动模式下电压均衡接地加速度计工作状态示意图，该状态下MEMS电容的上极板接VRP，下极板接VRN，中间极板接模拟地电位GND，不接入全差分放大电路的输入；在此步骤中，加在中间质量块与上、下极板之间的电压相等。如果传感器的位置不在正中间，C1和C2会不相等。这个电容差值被检测来确定传感器中间质量块的位置，中间极板接地来快速泄放电荷；该步骤为电压均衡接地阶段。

图6c为启动模式下电压均衡虚地加速度计工作状态示意图，该状态下MEMS电容的上极板接VRP，下极板接VRN，中间极板接入全差分放大电路的输入；可以在后续步骤中消除运放的失调；该步骤为电压均衡虚地阶段。

图6d为启动模式下电压读出放大加速度计工作状态示意图，该状态下MEMS电容的上极板接VRN，下极板接VRP，中间极板接入全差分放大电路的输入，对前端MEMS上下极板电容差进行检测，来判断中间质量块的位置；该步骤为读出放大阶段。

图7a为运行模式复位置零加速度计工作状态示意图，该状态下MEMS电容的上极板、下极板和中间极板均接模拟地电位GND，不接入全差分放大电路的输入；在此步骤中，没有力反馈到传感器上，它是用来在不同的力反馈模式切换之间降低信号受极板基准电压变化时电流变化的影响；该步骤为复位置零阶段。

图7b为运行模式调制力反馈(向上)模式加速度计工作状态示意图，该状态下MEMS电容的上极板接VRN，下极板接VRP，前端模拟输出电压Vout，不接入全差分放大电路的输入；在此步骤中，一个向上的静电力反馈作用于传感器上，用来抵消质量块受到的向下作用力；该步骤为调制力反馈模式。

图7c为运行模式复位置零加速度计工作状态示意图，该状态下MEMS电容的上极板、下极板和中间极板均接模拟地电位GND，不接入全差分放大电路的输入；该步骤为复位置零阶段。

图7d为运行模式电压均衡接地加速度计工作状态示意图，该状态下MEMS电容的上极板接VRP，下极板接VRN，中间极板接前端模拟地电位GND，不接入全差分放大电路的输入在此步骤中，中间极板接地来快速泄放电荷；该步骤为电压均衡接地阶段。

图7e为运行模式电压均衡虚地加速度计工作状态示意图，该状态下MEMS电容的上极板接VRP，下极板接VRN，中间极板接入全差分放大电路的输入；在此步骤中，可以在后续步骤中消除运放的失调；该步骤为电压均衡虚地阶段。

图7f为运行模式电压读出放大加速度计工作状态示意图，该状态下MEMS电容的上极板接VRN，下极板接VRP，中间极板接入全差分放大电路的输入，对前端MEMS变化电容进行检测；该步骤为读出放大阶段。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种全差分力平衡模式MEMS加速度传感器信号处理电路，其特征在于：包括全差分开关电容电路、采样保持电路、仪表放大器、多相时钟电路、参考源电路、电容补偿阵列，全差分开关电容电路对MEMS变化电容进行检测，输出差分信号经过采样保持电路，连接到仪表放大器，并通过仪表放大器把差分信号转换为单端输出信号；MEMS加速度传感器的上下极板与多相时钟电路控制的开关相连，其中间极板与全差分开关电容电路相连；全差分开关电容电路的另一个输入端连接一个与MEMS加速度传感器等效电容大小相等的片外电容CE，该片外电容CE另一端接至地电位；所述仪表放大器包括两个单位增益缓冲器和一个减法器；所述电容补偿阵列与MEMS电容并联，对MEMS电容进行补偿；

通过检测MEMS加速度传感器上极板等效电容C1和下极板等效电容C2的变化，在上极板、中间极板和下极板上加不同的静电力反馈电压，提供向上反馈力或向下反馈力使中间极板恢复到平衡位置，具体包括两种工作模式：启动模式和运行模式，读出电路启动时为启动模式，该模式用于启动时将质量块恢复到基本平衡位置，具体包括：S1，调制力反馈阶段，默认初始状态为MEMS加速度传感器上极板接正向参考电压VRP，下极板接负向参考电压VRN，中间极板接信号处理电路输出电压值Vout，产生一个向上的静电力力作用于MEMS加速度传感器上，后续周期则通过上一周期信号处理电路读出放大阶段检测的电容差值进行判断，当C1>C2时，加速度计工作在向上力反馈方式，则给MEMS加速度传感器上极板接正向参考电压VRP，下极板接负向参考电压VRN，中间极板接信号处理电路输出电压值Vout；当C1<C2时，上下极板所接的参考电压VRP、VRN互换；S2，电压均衡阶段，首先中间极板接地，此时加在中间极板与上、下极板之间的电压相等，然后中间极板接入信号处理电路，处于虚地状态，以快速泄放电荷，可以在后续步骤中消除运放的失调；S3，读出放大阶段，该步骤下信号处理电路用来检测MEMS加速度传感器上极板等效电容C1与下极板等效电容C2的电容差值，并进行读出放大；运行模式用于确定MEMS传感器中间极板位置，抵消1g重力加速度的影响，并使其达到平衡稳定状态，具体包括：S1，复位置零阶段，该状态下MEMS电容的上极板、下极板和中间极板均接模拟地电位GND，使得没有力反馈到传感器上；S2，调制力反馈阶段，在此步骤，利用信号处理电路上一周期计算出的输出电压值Vout得到上下极板等效电容差值，当C1>C2时，加速度计工作在向上力反馈方式，则给MEMS加速度传感器上极板接正向参考电压VRP，下极板接负向参考电压VRN，中间极板接信号处理电路输出电压值Vout；当C1<C2时，加速度计工作在向下力反馈方式，则给MEMS加速度传感器上极板接正向参考电压VRN，下极板接负向参考电压VRP，中间极板接信号处理电路输出电压值Vout；S3，复位置零阶段，此步骤具体操作同运行模式的S1；S4，电压均衡阶段，此步骤具体操作方式同启动模式的S2；

S5，读出放大阶段，信号处理电路检测MEMS加速度传感器上极板等效电容C1与下极板等效电容C2的电容差值，并进行读出放大；至此，运行模式完成一个工作周期，接下来将依次循环工作，质量块将在静电力反馈作用下保持在平衡位置附近振动。