CN110146066A - 正交误差补偿电路、mems传感器读出装置以及mems传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种正交误差补偿电路、MEMS传感器读出装置以及MEMS传感器系统，所述正交误差补偿电路包括两个电荷提供单元，每个所述电荷提供单元对应向MEMS传感器的一个检测电极提供补偿电荷，所述补偿电荷与所述MEMS传感器的正交误差引起的误差电荷相互抵消。本发明提供的正交误差补偿电路、MEMS传感器读出装置以及MEMS传感器系统，可以消除所述MEMS传感器的正交误差干扰，实现利用信号处理过程补偿工艺误差的目的。

Description

正交误差补偿电路、MEMS传感器读出装置以及MEMS传感器 系统

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，尤其涉及一种正交误差补偿电路、MEMS传感器读出装置以及MEMS传感器系统。

背景技术

微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems)陀螺仪是基于微机械加工的器件，它主要依靠科氏力来检测器件的角速度信号。MEMS陀螺仪有两个工作模态，驱动模态和检测模态。在理想情况下，当在陀螺仪的驱动端施加一个驱动模态本征频率电信号之后，陀螺仪的质量块会在驱动轴方向以本征频率做来回振动。当外界有一个角速度输入时，在科氏力的作用下，质量块会同时在检测轴振动，振动幅度和角速度的大小呈线性关系。通过检测这个检测轴振动幅度就可以求得当前的角速度大小。

然而，由于微机械加工的制造工艺缺陷会导致陀螺仪出现非理想型结构，实际工作时，驱动模态的质量块并不是严格在驱动轴方向振动，可能会与驱动轴有一个小的角度偏差，这个小的角度偏差会使得陀螺仪在角速度输入为零的情况下也还有检测信号输出。这种现象称之为正交误差，正交误差会影响一个陀螺仪的质量。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种正交误差补偿电路、MEMS传感器读出装置以及MEMS传感器系统，通过所述正交误差补偿电路能够补偿MEMS传感器正交误差对有用信号的影响，达到利用信号处理过程补偿工艺误差的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种正交误差补偿电路，用于补偿MEMS传感器的正交误差，所述MEMS传感器包括两个检测电极，所述正交误差补偿电路包括两个电荷提供单元；

每个所述电荷提供单元对应向一个所述检测电极提供补偿电荷，所述补偿电荷与所述正交误差引起的误差电荷相互抵消

在本发明的较佳实施方式中，所述电荷提供单元包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容以及第五电容；

所述第一电容的一端和所述第四电容的一端适于接收电源电压，所述第二电容的一端连接所述第五电容的一端，所述第三电容的一端和所述第五电容的另一端连接所述检测电极，所述第一电容的另一端、所述第二电容的另一端、所述第三电容的另一端以及所述第四电容的另一端适于接收补偿电压。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述补偿电荷的电荷量可调。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容以及所述第四电容为数字可编程电容。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述正交误差补偿电路还包括提供所述补偿电压的电压源。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述补偿电压的大小根据所述误差电荷的电荷量确定。

本发明还提供一种MEMS传感器读出装置，包括差分放大电路以及上述正交误差补偿电路；

所述正交误差补偿电路用于补偿所述MEMS传感器的正交误差；

所述差分放大电路用于对所述MEMS传感器的输出信号进行差分放大。

在本发明的较佳实施方式中，所述差分放大电路包括第六电容、第七电容、第一电阻、第二电阻以及运算放大器；

所述运算放大器的同相输入端连接一个所述检测电极、一个所述电荷提供单元的输出端、所述第一电阻的一端以及所述第六电容的一端，所述运算放大器的反相输入端连接另一个所述检测电极、另一个所述电荷提供单元的输出端、所述第二电阻的一端以及所述第七电容的一端，所述运算放大器的反相输出端连接所述第一电阻的另一端以及所述第六电容的另一端，所述运算放大器的同相输出端连接所述第二电阻的另一端以及所述第七电容的另一端。

本发明还提供一种MEMS传感器系统，包括MEMS传感器以及上述MEMS传感器读出装置。

在本发明的较佳实施方式中，所述MEMS传感器为MEMS陀螺仪。

本发明提供的正交误差补偿电路、MEMS传感器读出装置以及MEMS传感器系统，在所述MEMS传感器读出装置中设置所述正交误差补偿电路，所述正交误差补偿电路包括两个电荷提供单元，每个所述电荷提供单元对应向MEMS传感器的一个检测电极提供补偿电荷。由于所述补偿电荷能够与所述MEMS传感器的正交误差引起的误差电荷相互抵消，因此可以消除所述MEMS传感器的正交误差干扰，在所述MEMS传感器读出装置的输出端产生一个真实的角速度对应的检测信号，以准确的方式得到测量结果，实现利用信号处理过程补偿工艺误差的目的。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是MEMS陀螺仪产生正交误差的示意图；

图2是理想MEMS传感器系统的电路结构示意图；

图3是本发明实施例的MEMS传感器系统的电路结构示意图；

图4是本发明实施例的正交误差补偿电路的电路图。

具体实施方式

MEMS陀螺仪通过ASIC电路检测质量块的运动，用来检测角速度或者加速度的变化。由于微机械加工的制造工艺缺陷会导致MEMS陀螺仪出现非理想型结构，产生正交误差。图1是MEMS陀螺仪产生正交误差的示意图，其中，质量块借助于安装在衬底上的弹簧产生运动，dr1和dr2代表MEMS陀螺仪的两个驱动电极，S1和S2代表MEMS陀螺仪的两个检测电极，x方向表示MEMS陀螺仪的振动方向，y方向表示MEMS陀螺仪的检测方向。从图1可以看出，对于理想的MEMS陀螺仪，振动方向x与检测方向y正交，当输入角速度为0时，Δy＝0；对于实际的MEMS陀螺仪，振动方向x与检测方向y不是完全正交，当输入角速度为0时，Δy≠0。由于该正交误差的存在，会牺牲MEMS陀螺仪读出装置的输入输出电压范围。

在本发明实施例中，采用差分放大电路检测MEMS传感器的输入角速度，即采用所述差分放大电路对MEMS传感器的输出信号进行差分放大。所述MEMS传感器可以为MEMS陀螺仪，也可以为其他会产生正交误差的MEMS电容式传感器，本发明实施例对此不进行限定。图2是理想的MEMS传感器系统的电路结构示意图，所述MEMS传感器系统包括MEMS传感器20和差分放大电路21。所述MEMS传感器20产生正交误差的示意图如图1所示，检测电极S1和检测电极S2之间的电容可以采用等效电容csla和等效电容cslb表示，通过读取等效电容csla的电容变化量和等效电容cslb的电容变化量即可获得输入角速度的大小，即所述差分放大电路21的输出信号取决于所述等效电容csla的电容变化量和所述等效电容cslb的电容变化量。

在理想的MEMS传感器系统中：

cs1a＝c0+Ω*cos(ω*t)，cs1b＝c0-Ω*cos(ω*t)，

而在实际的MEMS传感器系统中：

cs1a＝c0+Ω*cos(ω*t)+Q*sin(ωt)，cs1b＝c0-Ω*cos(ω*t)-Q*sin(ωt)，

其中，c0表示检测电极的静态电容，Ω表示输入角速度引入的电容偏差，Q表示正交误差引起的电容偏差，ω表示传动频率，vop为所述差分放大电路21的同相输出电压，von为所述差分放大电路21的反相输出电压，Cf为所述差分放大电路21的增益系数，Vdc为直流偏置电压。

基于上述分析，本发明实施例提供一种正交误差补偿电路、MEMS传感器读出装置以及MEMS传感器系统，用于补偿MEMS传感器的正交误差。图3是所述MEMS传感器系统的电路结构示意图，所述MEMS传感器系统包括MEMS传感器20和所述MEMS传感器读出装置，所述MEMS传感器读出装置包括差分放大电路21和所述正交误差补偿电路22。

具体地，所述正交误差补偿电路22用于补偿所述MEMS传感器20的正交误差。所述MEMS传感器20可以为MEMS陀螺仪，也可以为其他会产生正交误差的MEMS电容式传感器，本发明实施例对此不进行限定。当所述MEMS传感器20为MEMS陀螺仪时，其可以为单轴、两轴或者三轴陀螺仪。在多轴陀螺仪中，每一轴陀螺仪都会存在正交误差，所以每轴都需要一个所述正交误差补偿电路22进行补偿。所述正交误差补偿电路22包括两个电荷提供单元，每个所述电荷提供单元对应向一个所述检测电极提供补偿电荷，即所述正交误差补偿电路22包括电荷提供单元221和电荷提供单元222，所述电荷提供单元221用于向所述检测电极S1提供补偿电荷，所述电荷提供单元221的输出端适于连接所述检测电极S1；所述电荷提供单元222用于向所述检测电极S2提供补偿电荷，所述电荷提供单元222的输出端适于连接所述检测电极S2。

所述补偿电荷与所述正交误差引起的误差电荷相互抵消，即所述补偿电荷的极性与所述误差电荷的极性相反，所述补偿电荷的电荷量与所述误差电荷的电荷量相等。在图3所示的MEMS传感器系统中：

其中，Q_cancel表示所述补偿电荷。

因此，只要所述补偿电荷满足以下公式就能与所述正交误差引起的误差电荷相互抵消：

图4是所述正交误差补偿电路22的一种具体电路。所述电荷提供单元221包括第一电容Ca1、第二电容Ca2、第三电容Ca3、第四电容Ca4以及第五电容Ca5。所述第一电容Ca1的一端和所述第四电容Ca4的一端适于接收电源电压vdd，所述第二电容Ca2的一端连接所述第五电容Ca5的一端，所述第三电容Ca3的一端和所述第五电容Ca5的另一端连接所述检测电极S1，所述第一电容Ca1的另一端、所述第二电容Ca2的另一端、所述第三电容Ca3的另一端以及所述第四电容Ca4的另一端适于接收补偿电压。

所述电荷提供单元222包括第一电容Cb1、第二电容Cb2、第三电容Cb3、第四电容Cb4以及第五电容Cb5。所述第一电容Cb1的一端和所述第四电容Cb4的一端适于接收电源电压vdd，所述第二电容Cb2的一端连接所述第五电容Cb5的一端，所述第三电容Cb3的一端和所述第五电容Cb5的另一端连接所述检测电极S2，所述第一电容Cb1的另一端、所述第二电容Cb2的另一端、所述第三电容Cb3的另一端以及所述第四电容Cb4的另一端适于接收补偿电压。

需要说明的是，所述补偿电压可以由设置在所述MEMS传感器读出装置外部的电压源提供，也可以由设置在所述MEMS传感器读出装置内部的电压源提供。若所述补偿电压由设置在所述MEMS传感器读出装置内部的电压源提供，所述正交误差补偿电路22还包括提供所述补偿电压的电压源Vin。进一步，所述补偿电压的大小根据所述误差电荷的电荷量确定。

若对所述MEMS传感器20的精度要求不高或者所述MEMS传感器20的工作参数不随温度或者时间等因素变化，所述正交误差补偿电路22提供的补偿电荷的电荷量可以为固定值，即图4中的所有电容均为不可调节的固定电容；若对所述MEMS传感器20的精度要求较高或者所述MEMS传感器20的工作参数会随温度或者时间等因素变化，所述正交误差补偿电路22提供的补偿电荷的电荷量可以调节。在本发明实施例中，所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容以及所述第四电容均为数字可编程电容。例如，可以采用10比特的二进制数据的高五位控制所述第一电容和所述第二电容，采用10比特的二进制数据的低五位控制所述第三电容和所述第四电容。当然，也可以采用其他位数的二进制数据对所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容以及所述第四电容进行控制，本发明实施例对此不进行限定。

继续参考图3，所述差分放大电路21用于对所述MEMS传感器20的输出信号进行差分放大。在本发明实施例中，所述差分放大电路21为全差分放大电路，所述差分放大电路21包括第六电容cfla、第七电容cflb、第一电阻resa、第二电阻resb以及运算放大器A1。所述运算放大器A1的同相输入端连接一个所述检测电极S1、一个所述电荷提供单元的输出端D1、所述第一电阻resa的一端以及所述第六电容cfla的一端，所述运算放大器A1的反相输入端连接另一个所述检测电极S2、另一个所述电荷提供单元的输出端D2、所述第二电阻resb的一端以及所述第七电容cflb的一端，所述运算放大器A1的反相输出端连接所述第一电阻resa的另一端以及所述第六电容cfla的另一端，所述运算放大器A1的同相输出端连接所述第二电阻resb的另一端以及所述第七电容cflb的另一端。

本发明实施例提供的所述正交误差补偿电路22、所述MEMS传感器读出装置以及所述MEMS传感器系统，由于所述补偿电荷能够与所述MEMS传感器20的正交误差引起的误差电荷相互抵消，因此可以消除正交误差的干扰，在所述MEMS传感器读出装置的输出端产生一个真实的角速度信号，以准确的方式得到测量结果，实现利用信号处理过程补偿工艺误差的目的。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种正交误差补偿电路，用于补偿MEMS传感器的正交误差，所述MEMS传感器包括两个检测电极，其特征在于，包括两个电荷提供单元；

每个所述电荷提供单元对应向一个所述检测电极提供补偿电荷，所述补偿电荷与所述正交误差引起的误差电荷相互抵消。

2.如权利要求1所述的正交误差补偿电路，其特征在于，所述电荷提供单元包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容以及第五电容；

所述第一电容的一端和所述第四电容的一端适于接收电源电压，所述第二电容的一端连接所述第五电容的一端，所述第三电容的一端和所述第五电容的另一端连接所述检测电极，所述第一电容的另一端、所述第二电容的另一端、所述第三电容的另一端以及所述第四电容的另一端适于接收补偿电压。

3.如权利要求2所述的正交误差补偿电路，其特征在于，所述补偿电荷的电荷量可调。

4.如权利要求3所述的正交误差补偿电路，其特征在于，所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容以及所述第四电容为数字可编程电容。

5.如权利要求2所述的正交误差补偿电路，其特征在于，还包括提供所述补偿电压的电压源。

6.如权利要求2所述的正交误差补偿电路，其特征在于，所述补偿电压的大小根据所述误差电荷的电荷量确定。

7.一种MEMS传感器读出装置，其特征在于，包括差分放大电路以及权利要求1至6任一项所述的正交误差补偿电路；

所述正交误差补偿电路用于补偿所述MEMS传感器的正交误差；

所述差分放大电路用于对所述MEMS传感器的输出信号进行差分放大。

8.如权利要求7所述的MEMS传感器读出装置，其特征在于，所述差分放大电路包括第六电容、第七电容、第一电阻、第二电阻以及运算放大器；

所述运算放大器的同相输入端连接一个所述检测电极、一个所述电荷提供单元的输出端、所述第一电阻的一端以及所述第六电容的一端，所述运算放大器的反相输入端连接另一个所述检测电极、另一个所述电荷提供单元的输出端、所述第二电阻的一端以及所述第七电容的一端，所述运算放大器的反相输出端连接所述第一电阻的另一端以及所述第六电容的另一端，所述运算放大器的同相输出端连接所述第二电阻的另一端以及所述第七电容的另一端。

9.一种MEMS传感器系统，其特征在于，包括MEMS传感器以及权利要求7或8所述的MEMS传感器读出装置。

10.如权利要求9所述的MEMS传感器系统，其特征在于，所述MEMS传感器为MEMS陀螺仪。