CN108255108B - 一种mems传感器控制器电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MEMS技术领域，特别是涉及一种MEMS传感器控制器电路，包括：检测单元，将来自MEMS传感器的原始模拟信号转换为模拟电压信号；模数转换单元，将所述模拟电压信号转换为数字信号：环路滤波单元，用于调节控制电路系统参数；量化单元，用于转换数字信号位宽；反馈单元，用于产生反馈信号，调节MEMS传感元件。机械零点调节单元，用于接收量化单元和模数转换单元输出的信号，调节系统参数。本发明通过引入机械零点调节单元以及对环路滤波单元的改进实现了MEMS传感器系统全自由度的辨识和可调，在增加系统稳定性的同时提高了系统精度。

Description

一种MEMS传感器控制器电路

技术领域

本发明涉及MEMS技术领域，特别是涉及一种MEMS传感器控制器电路。

背景技术

MEMS技术是在传统半导体工艺的基础上发展而来，MEMS传感器具有体积小、能耗低等优点，在医疗、汽车、物联网等领域具有广泛应用。

MEMS传感器通常由敏感检测单元、控制电路以及封装外壳等结构构成。现有MEMS传感器控制电路从结构分为闭环结构和开环结构，从输出信号分为模拟信号输出和数字信号输出。开环结构的传感器控制电路在稳定性、线性度和动态范围等性能上都不如闭环结构的控制电路；数字信号输出的控制电路方便后续处理，如信号处理，储存，传输都比模拟信号方便，同时数字信号抗干扰能力更强。

MEMS传感器所采集到的原始信号为模拟信号，为了实现数字信号输出，本发明人在CN201610876016专利中，通过在闭环回路中嵌入低精度ADC，实现了部分控制电路的数字化。但是数字闭环控制电路在起到检测信号，将传感器感知的物理量转换成数字电信号功能的同时，还要对闭环系统进行控制，保证闭环系统的稳定性。由于MEMS传感元件将感知的物理量转换成电信号时，往往存在中间的物理量，而这些中间的物理量发生在传感元件内部，数字闭环控制电路不能直接得到，甚至无法得到，这样在设计数字闭环伺服控制系统时，就丢失了一些自由度，给闭环系统的设计带来困难。

发明内容

本发明实施例提供一种MEMS传感器控制器电路，包括

检测单元，用于接收来自MEMS传感器的原始模拟信号，将其转换为模拟电压信号；模数转换单元，用于接收检测单元输出的信号，将所述模拟电压信号转换为数字信号：环路滤波单元，用于接收模数转换单元和量化单元输出的信号，调节控制电路系统参数；量化单元，用于接收环路滤波单元输出的信号，并转换数字信号位宽；反馈单元，用于接收量化单元输出的信号，产生反馈信号，调节MEMS传感元件。机械零点调节单元，用于接收量化单元和模数转换单元输出的信号，调节系统参数。

在一种实施例中，所述模数转换单元是逐次逼近型模数转换器。

在一种实施例中，所述环路滤波单元包括数字积分器、数字乘法器和数字加法器。

在一种实施例中，所述量化单元转换后的数字信号位宽小于6-bit。

在一种实施例中，所述反馈单元包括数模转换单元和开关单元。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明通过引入机械零点调节单元，实现了对传感元件位移信号的提取，同时通过对环路滤波单元的改进，使得传统控制系统设计方法中丢失的设计自由度成为可控的量，这样在闭环系统设计时，可以不需要加入补偿器就能维持闭环系统的稳定性，简化了闭环系统的设计，避免加入的补偿器损害系统的其他性能。进一步的，本发明所述控制电路因为有足够的自由度来设计闭环系统，因此可设计出全局最优的系统，从而大幅度提高系统性能。进一步的，本发明将信号处理单元设置在闭环环路外，使得信号的处理不会影响闭环系统的稳定性，极大的缓和了闭环系统稳定性和系统其他性能的冲突，特别是对于含有高品质因数MEMS传感元件的闭环系统。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：

图1示出了本发明实施例中的MEMS传感器控制器电路的结构示意图。

图2示出了本发明实施例中的MEMS传感器控制器电路的详细结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供一种MEMS传感器控制电路，所述控制电路与MEMS传感元件一起构成MEMS传感器系统。MEMS传感元件根据其工作原理的不同，其基本数学模型也不同，具体的，不同的数学系统模型具有不同的阶数，本发明尤其适用于数学原理为二阶系统的MEMS传感元件，进一步的，本发明尤其可用于MEMS加速度传感器的控制电路，更进一步的，本发明针对电容式MEMS加速度传感器具有最好的调理控制效果，所形成的MEMS传感器性能最优。

由于MEMS传感器系统同时包含控制电路系统和MEMS传感器元件的机械系统，二者均是独立的系统，具有独自的传递函数，因此所组成的大系统往往是具有多个自由度的复杂系统，而本领域技术人员在设计控制电路时，通常未能意识到在现有设计方法中会造成自由度的丢失，针对由此产生的系统不稳定的问题，通常是直接通过补偿的方式来维持闭环系统稳定，这样设计出来的闭环系统并不是全局最优的系统，而且加入的补偿器虽然维持了闭环系统的稳定，但会损害系统的其他性能，比如精度等。此外，通过这种方式来设计一个较好的闭环系统，往往非常费时。本发明所提供控制电路结构实现了全自由度的辨识和调节。

本发明所述电路结构包括：检测单元、模数转换单元、反馈单元、环路滤波单元、量化单元、机械零点调节单元，具体的：

检测单元，用于接收来自MEMS传感器的原始模拟信号，将其转换为模拟电压信号。

在一种实施例中，所述检测单元包括电压转换电路和电压调理电路。

所述电压转换电路接收来自传感器的原始模拟信号，并将所述原始模拟信号转换为电压信号。所述原始模拟信号由传感器种类和工作原理决定，例如传感器敏感的变量可以是压力、速度、加速度、温度、磁、电等，传感器将上述变量转化为不同种类的原始模拟信号，所述原始模拟信号为任意种类的电信号，例如电流信号、频率信号、电容信号等。根据原始模拟信号的不同，所述电压转换电路实现不同的转换功能，即将不同种类的电信号均转化为电压信号。在一种实施例中，所述MEMS传感器元件由外界加速度导致内部质量块发生位移，所述位移进一步导致MEMS传感器元件的电容大小发生变化，电压转换电路即将所述电容大小的变化转化为模拟电压信号。

所述电压调理电路接收来自电压转换电路输出的电压信号，并将所述电压信号进行处理，处理环节包括但不限于放大，滤波，调制，解调中的一个或多个，从而得到适应于模数转换单元的电压信号。在一种实施例中，为了使电压调理电路输出的电压信号更适于模数转换单元处理，所述电压调理电路按照信号处理顺序，依次包括调制器、放大器、解调器和滤波器。

模数转换单元，用于接收检测单元输出的信号，将所述模拟电压信号转换为数字信号。

所述模数转换单元通过模数转换器ADC实现，用于将模拟信号转换为数字信号，所述模数转换器可以是通用模数转换器或特定模数转化器，通用模数转换器包括逐次逼近型ADC、并行比较型ADC、流水线型ADC、Σ-ΔADC等；特定模数转换器包括瞬时浮点型ADC。优选的，所述模数转换器为逐次逼近型ADC，采用逐次逼近型ADC可以很好的折中精度，速度和功耗，进一步的，所述ADC精度为中低位ADC,一般不超过16-bit。

环路滤波单元，接收模数转换单元和量化单元输出的信号，调节控制电路系统参数。

所述环路滤波单元由数字积分器，数字乘法器，数字加法器构成。所述数字记分器包括第一数字积分器1/(1-z^-1)和第二数字积分器z^-1/(1-z^-1)；所述数字乘法器包括第一数字乘法器K₁，第二数字乘法器K₂，第三数字乘法器b₁，第四数字乘法器b₂，第五数字乘法器c₁；所述数字加法器包括第一加法器A₁和第二加法器A₂。

在一种实施例中，具体的，当系统阶数是4阶时，系统噪声的传递函数由以下公式决定：

其中g₁,g₂,g₃,α,β,d是由MEMS传感器元件自身结构及MEMS传感器系统的要求所决定，即这些参数是确定的，或者不便修改。k_c为经过机械零点调整单元处理后，引入的调整系数，用来调整机械零点位置，其中：

代入式(1)中，并化简得到：

由式(2)可知，系统噪声传递函数的零点可由k_c和c₁调整；极点可由k₁,k₂,b₁,b₂调整，比如通过调整b₁来改变z的三次项系数，调整b₂来改变z的二次项系数，调整k₁来改变z的一次项系数，调整k₂来改变常数项。调整这些参数可以调整和优化系统传递函数的零极点，而且这些调整都是在数字域实现，方便灵活，以使系统性能最优。

在其他实施例中，对于三阶闭环系统，调整系数为k_c,k₁,b₁，此时系统噪声传递函数的零点分配由k_c决定，极点由k₁,b₁决定；对于五阶闭环系统，调整系数为k_c,k₁,k₂,b₁,b₂,并增加b₃，此时系统噪声传递函数的零点分配由k_c和c₁决定，极点由k₁,k₂,b₁,b₂,b₃决定。以此类推，其它阶数的系统噪声传递函数零极点也可自由分配。

这样整个系统噪声传递函数的零极点全部实现可调，而噪声整形功能是由系统噪声传递函数零极点位置决定的，也就是说零极点位置不仅决定了系统的类型，还决定了滤波器噪声整形能力的强弱。本发明通过对系统闭环传递函数极点的分配使得极点分布在单位圆内，由此实现了闭环系统的稳定，同时通过对零极点的分配实现噪声整形功能的增强。进一步的，通过调节各乘法器比例系数也实现了整个控制系统的可调。

量化单元，用于接收环路滤波单元输出的信号，并转换数字信号位宽。

所述量化单元为数字量化器，用于将环路滤波器输出的高位宽的数字信号转换成低位宽(<6-bit)的数字信号。对数字信号进行所述降位宽的处理能够为后续的信号处理节省硬件资源，还能够保证反馈信号的线性度，因为环路滤波器输出的信号可能是24-bit甚至更高的位宽，由于反馈单元输出的输出信号是模拟信号，所以反馈单元必须包含DAC，因此后接的DAC的位数也必须增加，且DAC的位数需要和环路滤波器输出的位宽相同。而在现有工艺基础上，高位DAC的线性度是非常难以保证的，为此本发明增加了用于将环路滤波器输出的高位宽的数字信号转换成低位宽数字信号的数字量化器。

在一种实施例中，针对多位DAC的线性度达不到要求的情况，本发明通过采用动态元件匹配(Dynamic Element Matching,DEM)技术实现了对DAC线性度的提高，以使其达到系统要求。具体的，在DAC内部增加了动态匹配模块来增加DAC的线性度。

所述量化单元将转换后的低位宽数字信号分别输出给机械零点调整单元、环路滤波单元和反馈单元。

反馈单元，接收量化单元输出的信号，用于产生反馈信号，作用于MEMS传感元件。

反馈单元产生反馈信号的作用是使得MEMS传感元件中的检测质量块始终保持在平衡位置处的小范围波动。不发生大位移震动有助于保证传感器元件的线性度，从而增加整个传感器系统的稳定性和精度。

所述反馈单元包括数模转换器DAC和多路开关。其中，所述数模转换器DAC用于将量化单元输出的数字信号转化为模拟信号，所述数模转换器DAC的位数与量化单元输出的数字信号的位数相同。所述多路开关用于控制经数模转换器DAC转换后的模拟信号施加给传感器元件的频率。优选的，为了保证系统精度，所述数模转换器DAC和多路开关均为低噪声，高线性度器件。

机械零点调节单元，用于接收量化单元和模数转换单元输出的信号，调节系统参数。

具体的，所述机械零点调节单元包括位移提取单元、参数调整单元和信号处理单元。

位移提取单元，接收模数转换单元输出的信号，并从模数转化单元输出的数字信号中提取传感器元件中检测质量块的位移。在一种实施例中，所述位移提取单元是一个自适应信号估计单元，用于估计传感器元件中检测质量块位移输出至模数转换单元数字信号输出之间的等效增益，从而提取位移信息。在另一种实施例中，所述位移提取单元是一个比例乘法单元，比例系数通过测试标定得到传感器元件中检测质量块位移输出至模数转换单元数字信号输出之间的等效增益。

参数调整单元，接收量化单元输出的信号，用于补偿输入信号在量化单元和信号处理单元的衰减。所述参数调整单元包括存储器和比例乘法器，其中，存储器用于存储补偿系数，比例乘法器用于完成补偿系数和量化单元输出信号的相乘运算，实现对输入信号的补偿。

信号处理单元，接收位移提取单元和参数调整单元输出的信号，用于调整系统噪声传递函数的机械零点的频率。所述机械零点是由MEMS传感器元件部分本身的机械结构所决定，其机械传递函数的零点称为机械零点。

具体的，所述信号处理单元包括比例乘法器和求和器，其中比例乘法器用于完成调节系数和位移提取单元输出信号的相乘运算。求和器用于完成比例乘法器输出信号和参数调整单元输出信号的求和，从而来实现对机械零点的调整和优化，进一步的，提高系统输出信号的信噪比，并最终产生系统的输出信号。

本发明通过提取机械位移参数，并调整机械零点可以进一步提高系统输出信号的信噪比。

本发明通过引入机械零点调节单元，实现了对传感元件位移信号的提取，同时通过对环路滤波单元的改进，使得传统控制系统设计方法中丢失的设计自由度成为可控的量，这样在闭环系统设计时，可以不需要加入补偿器就能维持闭环系统的稳定性，简化了闭环系统的设计，避免加入的补偿器损害系统的其他性能。进一步的，本发明所述控制电路因为有足够的自由度来设计闭环系统，因此可设计出全局最优的系统，从而大幅度提高系统性能。进一步的，本发明将信号处理单元设置在闭环环路外，使得信号的处理不会影响闭环系统的稳定性，极大的缓和了闭环系统稳定性和系统其他性能的冲突，特别是对于含有高品质因数MEMS传感元件的闭环系统。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种MEMS传感器控制器电路，其特征在于，所述电路结构包括：

检测单元，用于接收来自MEMS传感器的原始模拟信号，将其转换为模拟电压信号；

模数转换单元，用于接收检测单元输出的信号，将所述模拟电压信号转换为数字信号：

环路滤波单元，用于接收模数转换单元和量化单元输出的信号，调节控制电路系统参数；

量化单元，用于接收环路滤波单元输出的信号，并转换数字信号位宽；

反馈单元，用于接收量化单元输出的信号，产生反馈信号，调节MEMS传感元件；

机械零点调节单元，用于接收量化单元和模数转换单元输出的信号，调节系统参数；

所述机械零点调节单元包括：位移提取单元、参数调整单元和信号处理单元；其中，所述位移提取单元，用于接收模数转换单元输出的信号，并从模数转化单元输出的数字信号中提取传感器元件中检测质量块的位移；参数调整单元，用于接收量化单元输出的信号，用于补偿输入信号在量化单元和信号处理单元的衰减；信号处理单元，用于接收位移提取单元和参数调整单元输出的信号，用于调整系统噪声传递函数的机械零点的频率。

2.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述模数转换单元是逐次逼近型模数转换器。

3.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述环路滤波单元包括数字积分器、数字乘法器和数字加法器。

4.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述量化单元转换后的数字信号位宽小于6-bit。

5.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述反馈单元包括数模转换单元和开关单元。