CN113156163A - 用于改善mem加速度计的频率响应的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于改善MEM加速度计的频率响应的方法和装置。公开一种用于测量加速度的传感器装置及其操作方法。在一些实施方案中，传感器内部的电路将来自加速度计的测得的加速度信号数字化为数字化的加速度信号，并由传感器内的数字均衡滤波器进行处理以提供均衡的加速度信号。均衡的加速度信号可以具有在延伸超出传感器的加速度计内的MEMS传感器的谐振频率的频率范围内基本平坦的频率响应。

Description

用于改善MEM加速度计的频率响应的方法和装置
技术领域
本申请涉及传感器信号的数字处理。
背景技术
传感器通过检测感测到的状况的变化来进行操作，并输出代表感测到的状况的电信号。感测到的状况可以包括加速度、速度、压力或其他机械或环境状况。输出电信号是时域信号，反映了所感测的条件随时间变化的方式。输出电信号也可以在幅度和频率方面在频域中表示。输出电信号的大小可能会受到接收传感器输出的处理电路的特性的影响。在许多应用中，期望使用处理电路来增强传感器元件的频率响应。增强采用幅度调整的形式，从而使传感器的带宽变宽。
发明内容
公开一种用于测量加速度的传感器装置及其操作方法。在一些实施方案中，传感器装置内部的电路将来自加速度计的测得的加速度信号数字化为数字化的加速度信号，并由传感器内的数字均衡滤波器进行处理以提供均衡的加速度信号。均衡的加速度信号可以具有在延伸超出传感器的加速度计内的MEMS传感器的谐振频率的频率范围内基本平坦的频率响应。
在一些实施方案中，提供了一种用于操作传感器装置的方法。传感器装置包括加速度计。加速度计具有微机电系统(MEM)传感器。该方法包括：在所述加速度计的输出端测量加速度信号；基于所述加速度信号产生数字化的加速度信号；和使用数字均衡滤波器处理数字化的加速度信号以产生均衡的加速度信号。
在一些实施方案中，提供传感器装置。传感器装置包括：具有微机电系统(MEM)传感器的加速度计；非易失性存储器，被配置为存储表示所述MEMS传感器的一个或多个机械特性的一个或多个系数；电路，被配置为：在所述加速度计的输出端测量加速度信号，并且基于所述加速度信号产生数字化的加速度信号。传感器装置还包括数字均衡滤波器，被配置为基于所述数字化的加速度信号生成均衡的加速度信号。
在一些实施方案中，提供一种传感器系统。该传感器系统包括具有输出的加速度计；和用于在输出端均衡加速度信号的装置。
附图说明
将参考以下附图描述本申请的各个方面和实施例。应当理解，附图不一定按比例绘制。出现在多个图中的项目在所有出现的图中均用相同的参考数字表示。在图中：
图1是根据一些实施例的传感器装置的高级框图；
图2是示出根据一些实施例的几个示例性传感器的频率响应曲线的模拟数据图；
图3是根据一些实施例的用于执行数字均衡的示例性过程的流程图；
图4是根据一些实施例的利用数字均衡滤波器执行数字均衡的示例性过程的流程图；
图5是根据一些实施例的在提供温度补偿的同时执行加速度信号的数字均衡的示例性过程的流程图；
图6是示出根据示例性实施例的电路和数字均衡滤波器的组件的框图。
图7是容纳一个或多个本申请中公开的类型的传感器的电子设备的示意图。
具体实施方式
本申请的各方面针对一种用于测量传感器的加速度的传感器装置。发明人已经意识到并认识到，在某些应用中，例如检测与语音有关的声振动，期望所测量的加速度的频率响应在很宽的频率范围内基本平坦。发明人还认识到，在基于具有MEMS传感器的MEM加速器的传感器中，所测量加速度的频率响应的平坦度通常取决于MEM加速器的测量带宽，而带宽本身受MEMS传感器的共振行为的影响，例如其谐振频率f0和品质因数Q。
作为MEM加速器的测量带宽的示例，它可能仅具有从接近直流(DC)的非常低的频率到大约f0/3的相对平坦的频率响应。虽然选择具有更大f0的MEMS传感器可能会增加测量带宽，但这样做还会带来其他不良后果。例如，较高的f0会增加加速器输出处的噪声，因为噪声与f0的平方成正比。因此，期望对于低噪声加速器将f0,保持在相对较低的频率。但是，在低频率f0,的情况下，由于Q因子，频率响应趋于在超过测量频带的范围内迅速向共振峰峰值。因此，发明人已经认识到需要扩展测量带宽并改善低噪声加速度计的频率响应的平坦度，优选在f0处的共振峰以上的频率范围内。本申请的各方面针对于这种需求的解决方案。
在一些实施方案中，传感器装置内部的电路将来自加速度计的测量加速度信号数字化为数字化加速度信号，该数字化加速度信号由传感器内的数字均衡滤波器处理以提供均衡的加速度信号。均衡的加速度信号可以具有在超出传感器装置的加速度计内的MEMS传感器的f0的频率范围上基本平坦的频率响应。
发明人已经认识并意识到，尽管可以执行加速度计的模拟输出信号的均衡，但是与本文公开的数字均衡相比，这种模拟均衡具有若干缺点。例如，由于制造过程和操作过程中的环境应力，加速度计组件容易出现参数值的变化。使用模拟电路的模拟均衡会因过程、电源和温度变化而导致组件参数漂移，因此无法始终保持精确的均衡。此外，与可被实现为半导体管芯上的集成电路的数字电路相比，模拟电路通常包括离散的无源组件，例如电容器和电感器，其可能更复杂且制造成本更高。
根据本申请的一方面，在声振动的情况下，对数字化的加速度信号执行数字均衡，而不是对速度、位移或声功率执行数字均衡。发明人已经意识到并认识到，可以通过执行一个或多个水平的积分来从加速度信号导出速度和位移。由于未均衡的MEMS传感器在f0处的频率响应有明显提高，因此加速度计拾取的噪声将在f0附近的加速度计输出中放大。通过在集成之前对加速度信号进行均衡以使其具有平坦的频率响应，可以在后续处理阶段中降低共振峰附近的噪声增强效应，从而在较宽的测量带宽内实现低噪声传感器输出。
在一些实施方案中，数字均衡滤波器可以利用MEMS传感器的传递函数来均衡数字加速度信号。传递函数可以由基于MEMS传感器的f0和Q的公式表示，并且该公式的系数可以存储在传感器装置的非易失性存储器中，以在传感器工作期间由数字均衡滤波器使用。每个MEMS传感器可以例如利用测试仪来表征，以在制造过程中获得其f0和Q。
在一些实施方案中，数字均衡滤波器可与加速度计附近的温度传感器结合使用。在这样的实施例中，数字均衡滤波器可以使用加速度计响应变化对温度的预测模型来执行数字加速度信号的校正处理，以减少或消除MEMS传感器输出的温度依赖性。
在一些实施方案中，可以通过首先由一组级联的数字滤波器获得MEMS传感器的逆传递函数来执行数字均衡。然后，可以将MEM加速度计输出的数字化加速度信号与级联数字滤波器的脉冲响应进行卷积，以获得具有平坦频率响应的均衡加速度信号，从而可以将有效测量带宽扩展到谐振频率f0以上。
图1是根据一些实施例的传感器装置10的高级框图。传感器装置10包括加速度计100，该加速度计100具有MEMS传感器110、电路120、数字均衡滤波器130、非易失性存储器140，以及可选地温度传感器150。传感器装置10还可以可选地包括一个或多个积分器160。加速度计100也可以称为MEM加速度计。
在图1中，MEMS传感器110可以是使用本领域已知的MEM技术制造的机械传感器。MEMS传感器110可包括一个或多个可移动地附接到支撑基板的检测质量，从而允许检测质量响应于外部电和/或机械刺激而移动。MEMS传感器110可以具有任何合适的几何形状、材料和转导机制，因为本申请的方面不限于此。在一个非限制性示例中，MEMS传感器110是具有几kHz的f0的低噪声、低-g加速度计的一部分。
加速器100可以包括多个有源和无源电子部件，以向MEMS传感器110提供功率和控制信号，并响应于运动而收集电信号。在一些实施例中，MEMS传感器110是具有高耗散和低Q的准静态机械谐振器，并且作为非常有损的谐振器操作，尽管本申请的方面不限于此。在一些其他实施例中，MEMS传感器110可以是由驱动信号驱动以在谐振频率f0谐振的高Q谐振器。响应于加速，加速器100可在加速器输出114处产生加速信号112。加速信号112可具有基于MEM加速器100的机械加速度α在时域和频域中变化的幅度。机械加速度可以是传感器10沿着任何线性轴的线性加速度，或者是沿着任何轴的角加速度。
机械加速度α可以具有不同的频率分量α(ω)，其中ω是频率。不希望受特定理论的束缚，加速器100可以具有以传递函数H(ω)为特征的共振响应曲线：
Figure BDA0002908446020000051
其中ω0＝2πf0是MEMS传感器110的共振角频率，Q是其品质因数。f0和Q是MEMS传感器110的特征机械性能，并且可以使用本领域普通技术人员在加速器100上已知的方法来表征。加速信号112与H(ω)·α(ω)成比例，并在低频范围内具有相对平坦的频率响应，其中传递函数H(ω)在ω范围内变化不大。在这样的低频范围内，可以将加速度计视为机械加速度的良好线性换能器，并且可以将频率范围视为可用范围。然而，当ω增加以接近共振时，H(ω)迅速达到峰值，并且加速度信号112可能不再是机械加速度的良好表示。在图2中示出了加速度信号112中的频率响应的示例。
图2是示出了根据一些实施例的几个示例性传感器的频率响应曲线的模拟数据图20。曲线212是模拟量值(以分贝或dB为单位测量)对频率的曲线，其可以是诸如图1中的信号112之类的加速度信号的频率响应。为模拟曲线212，使用具有f0＝5.8kHz和Q＝3.5的MEMS传感器，这对于低噪声、低-g谐振器是典型的。
如图2所示，曲线212在0至约1.5kHz之间的频率范围内相对平坦，幅度变化不超过1dB，并且在0至约3kHz的频率范围内幅度变化不超过3dB时相对平坦。高于3kHz时，由于共振传递函数的形状，频率响应迅速增加，并在接近f0的10dB以上达到峰值。因此，对于该示例中的谐振器，如果期望的平坦度不超过1dB，则可用频率范围仅为1.5kHz，如果期望的平坦度不超过3dB，则可用频率范围仅为3kHz。
本申请的各方面针对一种数字均衡技术，该数字均衡技术可以提供如图2所示的曲线212的示例中从DC到超过f0或超过5.8kHz的可用频率响应范围。
再次参考图1所示的实施例，电路120在加速器输出114处测量模拟加速度信号112，并生成代表加速度信号112的数字化加速度信号122。电路120可包括模数转换器(ADC)是本领域已知类型的。
仍然参考图1，数字均衡滤波器130从电路120接收数字化加速度信号122，并基于数字化加速度信号122生成均衡化加速度信号，但是具有在整个范围内具有期望的平坦频率响应的扩展的可用频率范围。发明人已经认识到
图3是根据一些实施例的用于执行数字均衡的示例性过程300的流程图。在过程300的动作302，电路120测量加速度计100的输出114处的加速度信号112。在动作304，电路120基于加速度信号112生成数字化加速度信号122。在动作306，数字均衡滤波器130处理数字化加速度信号122，以产生均衡的加速度信号132，可以将其作为传感器10的输出。
可选地并且如图1所示，传感器10包括一个或多个积分器160。如图3所示，在动作308，积分器160对均衡后的加速度信号132进行积分，并基于均衡后的加速度信号132的时间积分生成输出信号162。在一些实施例中，均衡的加速度信号132被积分一次以表示速度信号。在一些实施例中，均衡的加速度信号132被积分两次以表示位移信号。在一个非限制性示例中，传感器10被配置为感测诸如人的发声或音乐的声学信号。在这样的示例中，均衡的加速度信号被积分两次，以获得跨越跨越10kHz或更高频率的可用频率范围的位移信号。积分加速度信号可以代表声压的声压或声功率。
发明人已经认识并意识到，如果预先确定了MEMS传感器的传递函数，则可以在数字均衡滤波器中使用传递函数来处理感测到的信号，从而抑制谐振器在数字域中在f0附近的峰值行为。
图4是根据一些实施例的利用数字均衡滤波器130执行数字均衡的示例性过程400的流程图。
在过程400的动作410，测量诸如MEMS传感器110的共振频率f 0和品质因数Q的机械特性。f0和Q的测量可以在包装传感器10以供客户销售和使用之前作为制造过程的一部分进行。替代地或附加地，当将传感器10组装为电子设备的一部分时，f0和Q可以在制造后表征，例如利用测试仪。所测量的f0和Q可以存储在传感器10中，例如，如图1所示，存储在至少一个非易失性存储器140中。应当理解，非易失性存储器140不要求存储f0和Q的原始值。在图4所示的实施例中，动作410还包括使用测得的f0和Q基于诸如公式1的预定公式来计算MEMS传感器的传递函数。可以在外部处理器(例如测试仪中测量f0和Q的计算机)中执行计算，尽管本申请的方面不限于此，该计算可以在外部处理器(例如测试仪中的计算机)中执行。
在动作411，可以将表示传递函数的拟合参数的系数存储在非易失性存储器中。应当理解，系数也可以是传递函数的表示的拟合参数，而不是传递函数本身的拟合参数。在一些实施例中，可以计算作为传递函数的逆的均衡(EQ)曲线，并且可以在动作411处将EQ曲线的拟合参数存储为系数。系数可以是例如二次或更高级次多项式曲线拟合系数。
在动作412，数字均衡滤波器130从至少一个非易失性存储器140读取一个或多个所存储的系数。在设备加电期间仅执行一次系数的读取以节省功率。
在动作414处，基于在至少一个非易失性存储器140中存储的一个或多个系数来构造MEMS传感器的传递函数的表示。例如，可以在此动作时构造EQ曲线以表示传递函数。可以使用预定公式使用数字均衡滤波器130内的处理器来执行该构造。
在动作416，数字均衡滤波器130将数字化的加速度信号122与传递函数的表示的脉冲响应进行卷积以生成均衡的加速度信号132。根据一些实施例，没有必要计算EQ曲线的脉冲响应(如果它由多个级联组成)。在这样的实施例中，输入的数字化的加速度信号数据序列在进入和退出均衡器的每个会话时被计算。
本申请的各方面还针对使用数字均衡滤波器来校正MEMS传感器的温度补偿。发明人已经认识并意识到，MEMS传感器的机械特性在操作过程中容易受到温度变化的影响。例如，MEMS传感器的f0和Q可能会随温度而漂移。在一些实施例中，温度传感器150可以设置在传感器中，如图1所示。温度传感器150可以邻近加速器100布置，并且优选地邻近MEMS传感器110以测量加速度计内的可移动质量的温度。
图5是根据一些实施例的在提供温度补偿的同时执行加速度信号的数字均衡的示例性过程500的流程图。过程500在许多方面类似于图4所示的过程400，相似的数字表示相似的动作。
过程500与过程400的不同之处在于，在动作412之后，该过程前进到动作513，在这里测量加速度计的温度。在动作514，不仅基于一个或多个存储的系数，而且还基于所测量的温度来构造MEMS传感器的传递函数的表示。可以以多项式拟合公式的形式创建MEMS传感器的温度补偿预测模型，该多项式拟合系数的系数可以根据测量的温度提供补偿的f0和Q。还可以使用提供温度补偿的其他方式，例如将查找表存储在非易失性存储器中，其中查找表的条目表示每个温度下的预先校准的f0和Q值。
在过程500结束时，在动作416处将数字化的加速度信号与传递函数的表示的脉冲响应进行卷积以生成均衡的加速度信号之后，该过程可以可选地返回到动作513以进行温度的另一测量。所测量的温度可以存储在易失性存储器中，并且在随后的动作514和416中用于提供具有连续更新的温度读数的数字均衡。在一些实施例中，可以在传感器10的操作期间以规则的时间间隔重复动作513。
数字均衡滤波器130可以用本领域中已知的任何合适的数字电路设计来实现，并且可以与同一半导体衬底上的电路120集成在一起。在一些实施例中，可以用级联的多个数字滤波器来实现数字均衡滤波器。在一个实施例中，数字均衡滤波器可以由抽取滤波器中的下垂校正滤波器实现，因为在更高的数据速率下(在多速率抽取滤波器设计中可用)，可以以较小的字宽更有效地计算MEMS传感器传递函数的系数。
返回参考图2中的数据图表20。曲线232是诸如图1中的信号132之类的均衡的加速度信号的模拟频率响应。与代表非均衡加速度信号112的频率响应的曲线212相比，曲线232表明f0＝5.8kHz附近的峰值幅度已被平坦化为接近零dB。明显地，曲线232具有在0(或DC)和8kHz之间的扩展频率范围，其中频率响应相对平坦，幅度变化不超过3dB，以及0至7kHz的扩展频率范围，其中频率响应相对平坦，幅度变化不超过1dB。因此，具有如图2所示类型的MEMS传感器的加速器的可用频率范围可以从1.5kHz扩展到7kHz或更高。
图2还示出了曲线231、233，其表示数字均衡滤波器的中间结果的模拟频率响应。曲线231示出了下垂滤波器的补偿效果，该下垂滤波器对f0的左侧和右侧均具有平坦的响应。曲线233示出了陷波滤波器的补偿效果，该陷波滤波器具有以f0为中心的下降。曲线212、231和233的组合有助于由曲线232表示的均衡的加速度信号。
图6是示出根据示例性实施例的电路和数字均衡滤波器的组件的框图。图6示出了ADC 620、无限脉冲响应(IIR)低通滤波器(LPF)624、传感器校正滤波器630和时分复用(TDM)端口634。
在图6中，ADC 620可以是如图1所示的电路120的一部分，并且在输出处产生数字化的加速度信号622，该输出表示在诸如加速度计100的加速度计中的测量的模拟加速度信号。在一个非限制性示例中，信号622的采样率fs可以为384或192kHz。
LPF 624是数字滤波器，其可以使用例如24-96x抽取来处理数字化的加速度信号622以减小数据速率。结果是中间数字信号626。在上面的示例中，对于信号622，fs为384或192kHz，中间数字信号626的数据速率为8kHz或4kHz。滤波器624还可采用下垂滤波器，其校正频率响应中的下垂，并有助于使数字化的加速度信号622中的f0附近的频率响应平坦。因此，根据本申请的方面的数字均衡滤波器可包括：数字滤波器，例如LPF 624。
传感器校正滤波器630可以从非易失性存储器中读取所存储的用于谐振器传递函数的二阶系数，并应用上述系数对中间数字信号626进行滤波，以生成均衡的加速度信号632，使用如上所述的过程，例如图4中所示的过程400。然后，将输出的均衡的加速度信号632传递到TDM端口634以进行进一步处理。
图7是电子设备700的示意图，该电子设备700容纳一个或多个本申请中公开的类型的传感器70。根据本申请的一方面，如图7所示，可以在可穿戴电子设备700中提供具有低-g MEM加速器的传感器70，以测量声学信号74，例如人的语音、音乐或其他音频发射。传感器70可以具有与传感器10相似的部件，这些部件被配置为以与如上所述的传感器10类似的方式进行操作。可穿戴电子设备700可以是耳机、头戴式受话器或智能手机的一部分。在一示例中，可穿戴电子设备700还可以具有声学换能器72，例如用于直接测量声学信号的麦克风。可以关闭麦克风72以节省电池电量，以在检测到语音时重新激活麦克风。但是，在嘈杂的环境中，传统的麦克风或传感器可能很难将人类发声与背景声发射区分开。传感器70可能能够使用低噪声MEM加速器来检测低电平声信号，并且能够唤醒麦克风72以继续测量声信号。在这样的应用中，由于不需要麦克风72连续工作，因此可以减少电子设备700的整体电池寿命。
本文描述的技术可以在各种设置中使用，包括其中使用加速度计的设置。例如，消费便携式电子产品、汽车、工业自动化和控制、仪器和测量以及医疗保健应用都可以利用本文所述的技术。
在一些实施例中，术语“大约”和“大概”可用于表示目标值的±20％以内，在一些实施例中，术语“大约”和“大概”可用于表示目标值的±10％以内，在一些实施例中，术语“大约”和“大概”可用于表示目标值的±5％以内，在一些实施例中，术语“大约”和“大概”可用于表示目标值的±2％以内。术语“大约”和“大概”可以包括目标值。

Claims (20)

1.一种用于操作传感器装置的方法，该传感器装置包括具有微机电系统(MEM)传感器的加速度计，该方法包括：
在所述加速度计的输出端测量加速度信号；
基于所述加速度信号产生数字化的加速度信号；和
使用数字均衡滤波器处理数字化的加速度信号以产生均衡的加速度信号。
2.权利要求1所述的方法，其中所述MEMS传感器具有谐振频率(f0)，并且目标频率范围包括在低于f0的第一频率和高于f0的第二频率之间的范围。
3.权利要求1所述的方法，其中:
所述均衡的加速度信号的幅度频率响应在目标频率范围内变化不超过3分贝。
4.权利要求1所述的方法，其中所述幅度频率响应在目标频率范围内的变化不超过1分贝。
5.权利要求1所述的方法，其中处理数字化的加速度信号包括：
将所述数字化的加速度信号与所述MEMS传感器的传递函数表示的脉冲响应进行卷积。
6.权利要求5所述的方法，其中处理数字化的加速度信号还包括：
基于存储在所述传感器的至少一个非易失性存储器中的一个或多个系数，构造所述MEMS传感器的传递函数的表示。
7.权利要求6所述的方法，还包括：
测量所述MEMS传感器的f0和品质因数(Q)；
基于测得的f0和Q计算所述MEMS传感器的传递函数；
在所述至少一个非易失性存储器中存储表示所述传递函数的一个或多个系数。
8.权利要求6所述的方法，还包括测量所述加速度计的温度，并且其中
基于一个或多个系数和测得的温度来构造所述MEMS传感器的传递函数的表示。
9.权利要求1所述的方法，还包括
积分所述均衡的加速度信号以生成表示所述加速度计接收到的声音信号的输出信号。
10.权利要求1所述的方法，其中产生数字化的加速度信号包括：
使用模数转换器对所述加速度信号进行采样以产生采样信号；
使用抽取滤波器处理所述采样信号；和
基于所述抽取滤波器的输出产生所述数字化的加速度信号。
11.传感器装置，包括：
具有微机电系统(MEM)传感器的加速度计；
非易失性存储器，被配置为存储表示所述MEMS传感器的一个或多个机械特性的一个或多个系数；
电路，被配置为：
在所述加速度计的输出端测量加速度信号；
基于所述加速度信号产生数字化的加速度信号；和
数字均衡滤波器，被配置为基于所述数字化的加速度信号生成均衡的加速度信号。
12.权利要求11所述的传感器装置，
其中所述MEMS传感器具有谐振频率(f0)，和
其中所述目标频率范围包括在低于f0的第一频率和高于f0的第二频率之间的范围。
13.权利要求11所述的传感器装置，其中:
所述均衡的加速度信号的幅度频率响应在目标频率范围内变化不超过3分贝。
14.权利要求11所述的传感器装置，其中
所述数字均衡滤波器被配置为基于一个或多个系数来产生所述MEMS传感器的传递函数的脉冲响应，以及
通过将所述数字化的加速度信号与所述脉冲响应进行卷积来生成所述均衡的加速度信号。
15.权利要求14所述的传感器装置，其中所述一个或多个系数包括f0和品质因数。
16.权利要求14所述的传感器装置，还包括温度传感器，并且其中:
所述数字均衡滤波器还被配置为基于所述一个或多个系数和由所述温度传感器测量的加速度计的温度来构造谐振器的传递函数。
17.权利要求11所述的传感器装置，还包括积分器，被配置为通过对所述均衡的加速度信号进行积分来生成表示由所述加速度计接收的声学信号的输出信号。
18.权利要求11所述的传感器装置，其中所述电路包括：
模数转换器，耦合到所述谐振器的输出端并被配置为生成采样信号；
抽取滤波器，耦合到所述模数转换器并被配置为在所述抽取滤波器的输出端生成所述数字化的加速度信号。
19.权利要求11所述的传感器装置，还包括集成电路，其中
所述电路和所述数字均衡滤波器是所述集成电路的一部分。
20.传感器系统，包括：
具有输出的加速度计；
用于在输出端均衡加速度信号的构件。
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