CN115184639A - 一种三轴mems加速度计闭环读出电路 - Google Patents

一种三轴mems加速度计闭环读出电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三轴MEMS加速度计闭环读出电路，包括三个单轴闭环读出电路，三个所述单轴闭环读出电路分别与所述三轴MEMS加速度计的X、Y、Z轴连接，三个所述单轴闭环读出电路的输出端与加速度计信号数字量化模块的数据输入端连接，所述加速度计信号数字量化模块的输出端与数字处理模块的输入端连接，所述数字处理模块的输出端数字输出加速度计信号。三个轴向可各自分别实现信号模拟和数字输出；每个轴向读出电路都可单独选择闭环控制还是开环控制；同时内部集成存储器和控制电路，实现三个轴向读出电路参数灵活配置，对加速度计加工误差、封装误差和装配误差进行及时调整,从而提高器件良率；同时兼容信号模拟输出和数字输出，方便用户使用。

Description

一种三轴MEMS加速度计闭环读出电路
技术领域
本发明涉及微机电控制技术领域，尤其涉及一种三轴MEMS加速度计闭环读出电路。
背景技术
MEMS(微机电系统)加速度计是根据牛顿力学原理工作，微质量块感测惯性加速度，引起悬臂梁受力变形而导致相应电容变化，电路检测这种电容变化进而间接获得加速度数据；这种也称作电容式MEMS加速度计，其优势是灵敏度高、噪声低、漂移小，体积小，成本低。
MEMS加速度计内部结构(如图1)特别精细，内部有质量块、梳齿、梁、气体等，质量块一般要求在10-7g量级，梳齿间隙一般要求在8um以下，气体气压一般要求控制10-3Pa量级的低气压状态，即使常压也要保证在使用过程中，气压不能变化太大。但是，MEMS在加工时会引入工艺偏差、不同轴向偏差、批次偏差，这些工艺误差会造成这些参数偏离设计要求值；甚至不同批次，不同轴向，都会存在不一致等，导致MEMS加速度计器件闭环控制参数、零偏、刻度因子等等不一致。另外封装误差和安装误差也会给器件一致性带来很大的影响。因此，加速度计读出电路需要采取措施来改善器件的一致性和良率。
发明内容
本发明的目的是要提供一种三轴MEMS加速度计闭环读出电路。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
本发明包括三个单轴闭环读出电路，三个所述单轴闭环读出电路分别与所述三轴MEMS加速度计的X、Y、Z轴连接，三个所述单轴闭环读出电路的输出端与加速度计信号数字量化模块的数据输入端连接，所述加速度计信号数字量化模块的输出端与数字处理模块的输入端连接，所述数字处理模块的输出端数字输出加速度计信号。
进一步，所述单轴闭环读出电路由电容电压转换电路、低通滤波器、比例积分微分控制器、模式控制电路、加速度计信号量化模块、自校准模块组成，所述电容电压转换电路与三轴MEMS加速度计连接，所述电容电压转换电路的输出端连接所述低通滤波器，所述低通滤波器的输出端连接所述比例积分微分控制器；比例积分微分控制器输出端与模式控制电路连接；模式控制电路输出端连接加速度计信号量化模块；电容电压转换电路输出还连接至自校准模块。
作为改进，所述单轴闭环读出电路还包括反馈支路，所述反馈支路由数模转换器和模拟加法器、高压反馈电路组成，所述模拟加法器的两个输入分别与数模转换器和比例积分微分控制器的输出端连接，所述模拟加法器的输出端连接高压反馈驱动模块，所述高压反馈驱动模块的输出作为反馈输出端连接加速度计力平衡输入端。
具体地，所述电容电压转换电路包括差分运算放大器及与差分运算放大器的输出端连接的解调器，所述差分运算放大器的输入端和输出端之间连接有放大反馈电容，所述差分运算放大器的两个输入端之间串联有零偏补偿电容。
优选的，还包括温度传感器和与温度传感器连接的温度信号模数转换器,温度信号模数转换器的输出端连接数字处理模块。
优选的，所述数字处理模块的通信接口包括I2C、SPI、RS485等众多数字通信接口的其中一种或多种。
具体地，所述数字处理模块包含存储器和存储器控制模块，所述存储器为一次可编程存储器或多次可擦写存储器。
本发明的有益效果是：
本发明是一种三轴MEMS加速度计闭环读出电路，与现有技术相比，本发明用于在整器件参数配置时将MEMS结构和所述读出电路封装在一起，进行系统参数设定和标定，形成加速度计闭环控制调节；三个轴向可各自分别实现信号模拟和数字输出；每个轴向读出电路都可单独选择闭环控制还是开环控制；同时内部集成存储器和控制电路，实现三个轴向读出电路参数灵活配置，对加速度计加工误差、封装误差和装配误差进行及时调整,从而提高器件良率；同时兼容信号模拟输出和数字输出，方便用户使用。
附图说明
图1为本发明所述的MEMS加速度计内部结构示意图；
图2为本发明所述三轴闭环加速度计读出电路的一种具体实施方式示意图；
图3为本发明所述单轴读出电路的一种具体实施方式示意图；
图4为本发明所述C/V转换电路的一种具体实施方式示意图；
图5为本发明所述AMUX模拟乘法电路的一种具体实施方式示意图；
图6为本发明所述MEMS结构质量块受力分析示意图。
图中：1-质量块，2-弹性梁，3-动齿，4-定齿，5-锚点(固定体)，6-梳齿小间隙，7-梳齿大间隙，MEMS-三轴MEMS结构，POR-电源检测电路，REF-基准参考电路，LDO-稳压输出电路，CPP-高压生成电路，VDDLGEN-数字电源生成电路，TS-温度传感器，CLKGEN-时钟生成电路，T_ADC-温度信号数字量化电路，A_ADC-加速度计信号数字量化电路，DPM-数字信号处理模块，C/V-电容(电荷)电压转换电路，LPF-低通滤波电路，PID-比例积分微分控制电路，SUM-模拟加法电路，HVF-高压反馈电路，ACU-自动校准电路，AMUX-模拟乘法电路，DAC-数模转换电路，101-差分运算放大器，102-模拟乘法器，103-模拟开关，104-或非门，105-非门，Fe-静电力，Fa-惯性力。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明应用于三轴MEMS结构和所述读出电路一起做成器件，可以器件级封装，也可以PCB板级封装，但器件级封装性能更优。在系统参数设定和标定过程，可灵活配置加速度计闭环控制电路等等系统参数，弥补三轴MEMS结构加工误差、封装误差和装配误差影响，从而提高加速度计整器件良率。
本发明所述MEMS三轴闭环加速度计读出电路，如图2所示，包括X、Y、Z 轴的单轴加速度读出电路；还包括与单轴加速度读出电路连接的加速度信号数字量化模块A_ADC，加速度信号数字量化模块还连接有数字处理模块DPM；三轴加速度计模拟信号分别通过输出端XOUT/YOUT/ZOUT输出；三轴加速度计数字信号通过DOUT输出端输出。
如图3所示，单轴加速度读出电路包括与MEMS加速度计检测端连接的电容电压转换电路C/V,与C/V电路连接的低通滤波器LPF电路,与LPF输出端连接的比例积分微分控制PID电路；PID输出端与模拟乘法器电路AMUX连接；AMUX输出端连接A_ADC；C/V电路输出端连接自校准ACU电路；C/V的输入端作为单轴加速度读出电路的信号输入端1；AMUX的输出端为单轴加速度读出电路的信号输出端3，AMUX通过输入信号端4来选择加速度计信号输出模式(模拟模式/数字模式)。
单轴加速度读出电路还包括反馈支路，反馈支路包括数模转换电路DAC，模拟求和电路SUM，SUM电路的两个输入端分别与DAC和PID的输出端连接，SUM 的输出端连接高压反馈电路HVF，HVF输出端作为反馈输出端2连接加速度计的力平衡输入端；数模转换电路DAC的输入端为所述单轴加速度读出电路的数字调节输入端7，通过参数输出输入总线XRG2A、YRG2A、ZRG2A与数字处理模块连接，如图2所示。
数字处理模块DPM输出的数字信号通过器件数字接口输出至上位机如计算机/单片机等，在上位机中可对器件进行参数标定，也可以对加速度信号做进一步的处理分析。
其中，电容电压转换电路C/V(如图4所示)的作用是将MEMS加速度计的差分电容变化转化为差分电压变化，加速度计表头感测加速度信号后转换为差分电容信号；在本领域中，1g加速度转换的差分电容量称作表头的灵敏度，符号记作△C(△C＝CST-CSB)，单位为pF/g。电容电压转换电路将差分电容信号转换为电压信号，转换增益记作Gcv，表达式如下式所示：
Figure RE-GDA0003782943060000051
其中Aop,Aon分别为C/V模块正负输出端电压，Cf为C/V模块的反馈电容， Vr为C/V电路的MASS载波幅值。可选的，Cf可通过数字配置而选择相应的C/V 增益。图4为电容电压转换电路C/V的一种具体实施方式，STOP、SBOT作为差分运算放大器的正负输入，差分运算放大器101的输出接解调器102的输入，解调器102的输出为C/V输出端AOP、AON；电容C0和C0T并联形成电容组合 CT，电容C0和C0B并联形成电容组合CB，CT/CB与MEMS结构检测等效电容 CST/CSB形成电容桥。
如图4所示，MEMS加速度计检测上极板和检测下极板与质量块形成一对差分电容，一个电容的增大的同时另一电容将等量减小，即CST-CSB＝△C。质量块连接接C/V的MASS端子，检测上极板和检测下极板分别接C/V的STOP、SBOT (差分运算放大器的正负输入)。由振荡器或锁相环倍频电路CLKGEN生成系统所需的时钟，数字处理模块DPM生成C/V所需对偶的载波信号接MASS和CTR，载波信号将质量块与检测上极板和检测下极板的差分电容变化量调制并转化为高频电流信号，此电流信号通过反馈电容Cf积分后转换为电压信号，再通过解调器2将高频信号解调至低频输出。即差分电容的变化将导致运放输入电流的变化，最终体现在正负输出端AOP、AON的波形变化。C/V采用电容桥式检测方式，MEMS结构检测上极板和质量块构成上极板电容即加速度计等效检测电容CST，检测下极板和质量块构成下极板电容即加速度计等效检测电容CSB，这两个电容与C/V中电容组CT和CB构成电容桥。无加速度时，CST＝CT＝C0+C0T， CSB＝CB＝C0+C0B,此时电容桥处于最优匹配状态，C/V工作状态最优，噪声和非线性等性能最好。电容C0一般称为匹配电容，C0T/C0B称为零偏补偿电容，在电路中它们都设计为电容阵列，可通过阵列中电容并联开关的状态选择不同的电容值，这些开关可通过数字处理模块DPM进行配置。
C/V输出的差分电压信号接低通滤波器LPF的输入，LPF的输出接比例积分微分控制器PID输入，PID输入接模拟乘法器AMUX和模拟加法器SUM。LPF滤除电压信号的高频毛刺，输出电容变化对应的电压值，比例积分微分控制器PID 对差分信号进行PID控制，PID输出电压作为加速度模拟电压输出,输出的加速度电压值表征了加速度大小及方向，此电压也输出到模拟乘法器AMUX和模拟加法器SUM,进入反馈支路。
比例积分微分控制器PID的典型传输函数如下式所示：
Figure RE-GDA0003782943060000061
从PID传输函数可以看出，PID控制主要有三项，P为比例放大项，主要提供一个全频段增益；I为积分项，主要提供极大的低频增益，提高闭环系统低频控制精度；D为微分项，主要提供稳定性补偿，其中s为频率，N为微分项滤波参数，用于改善稳定性。其中P、I、D、N在电路设计为可配置参数阵列，都可以通过DPM进行定制化配置。其中系统开环工作时，会通过DPM配置关闭积分项和微分项，仅保留比例项工作。
其中，模拟乘法电路AMUX对加速度电压值的输出进行选择，根据控制信号不同，选择输出比例积分微分控制器PID输出的加速度模拟电压值，或输出DPM 的加速度数字信号，并可调节输出信号的极性。
如图5所示给出模拟乘法电路AMUX的一个具体实施方式，图5中，左侧为输入信号端和控制信号端，右侧为输出信号端，模式控制电路由多个反相器105 和或非门104连接组成控制逻辑，对模拟开关104进行开关控制，根据控制信号的不同，选择在不同的输出端输出信号。
通过模式控制信号可以实现系统的模拟模式和数字模式切换，模式控制信号可以来自系统的引脚输入信号，也可来自DPM配置；模拟模式时可通过模式控制信号关闭T_ADC、A_ADC等等不使用的数字电路，从而降低器件功耗。闭环控制模式下，当模拟乘法电路AMUX将比例积分微分控制器PID输出的加速度模拟电压值直接输出至输出引脚时为模拟模式，此时数字部分将停止工作，从而节省功耗。
模拟乘法电路AMUX为二选一电路，可输出加速度模拟电压输出至器件引脚或者输出到加速度信号数字量化模块A_ADC，加速度信号数字量化模块A_ADC实现加速度电压信号转换为数字信号；然后在数字处理模块DPM中进行校准和补偿。
数字处理模块DPM接收数字信号后,以内置算法计算并输出控制信号到自校准模块ACU,采用逐次逼近方式，自动计算出匹配到内容C0和零偏补偿电容 C0T/C0B值，进而通过配置寄存器，打开相应的电容阵列，使得C/V匹配良好，实现电容法零偏校准和电容匹配，此种良好匹配下(CST＝CT＝C0+C0T， CSB＝CB＝C0+C0B)，无加速度时(CST＝CST)，C/V输出电压为0。
加速度计信号数字量化模块A_ADC可由多路模数转换器实现,也可一路数模转化电路，用时分复用方法实现X/Y/Z加速度信号数字转化；其中在DPM中，校准和补偿通常包括实现加速度数字信号零偏校准、零偏温度补偿、刻度因子校准、刻度因子温度补偿、非线性补偿以及数字滤波等等，DPM进行数据处理后通过接口输出至上位机。数字处理模块DPM中实现上述功能的软件算法均已有成熟的现有技术，在此不再赘述。
闭环控制模式下，此时数模转换电路DAC的输出模拟电压和PID输出模拟电压求和后送至HVF输入端，HVF将输入的低压电平变为高压电平，生成的差分高压信号施加在表头的驱动电极上，形成驱动力以抵消被测加速度力，形成力平衡状态，如图6MEMS结构质量块受力分析示意图所示。当器件受加速度影响时，质量块受力Fa而向下运动；高压驱动信号分别施加在驱动上极板和驱动下极板，此时上极板施加大电压，下极板施加小电压，在质量块上形成的静电合力Fe与质量块受力大小相等方向相反，将质量块拉至平衡位置即上极板和下极板正中间，最终两个力相等，此时质量块处于力平衡位置，系统就会处理稳定状态，此时系统的输出XOUT/YOUT/ZOUT与系统输入加速度呈正比关系。
其中，HVF的增益和高压共模电压都可通过DPM配置，方便用户定制化。其中,DAC的输入信号可通过DPM配置，用来补偿系统零偏，即当系统在无加速度输入时，系统输出应该是0，因为工艺误差和封装误差、装配误差等导致此时系统输出不是0，此时可通过DPM配置适当的值，使得系统输出为0。此种方法称为零偏力补偿方法。
而在开环模式下，所述单轴读出电路的反馈支路中的高压反馈驱动模块HVF、模拟加法器SUM模块功能关闭，以及关闭高压生成电路CPP以节省功耗。
数字处理模块DPM可通过数据总线XRG2A、YRG2A、ZRG2A和CRG2A输出至各个模块的参数配置电路，用来实现各个电路模块参数配置。电路设计时，可配置参数范围一般考虑较充分，通常覆盖MEMS结构加工造误差、封装误差和装配误差，在整器件标定时，仅通过调节配置的参数就能实现器件性能，从而提高器件良率。
开环模式下，若选择模拟信号输出，那么模拟信号将通过AMUX的输出端输出模拟信号，加速度计信号数字量化模块A_ADC停止工作，数字处理模块DPM 将关闭部分数字模式下才需要的工作电路，以节省功耗；开环模式下若选择数字信号输出，则由加速度计信号数字量化模块A_ADC将模拟信号转化为数字信号，数字处理系统DPS实现补偿滤波算法，通过数字接口将信号输出。
数字处理模块DPM的输出信号可通过总线CRG2A连接各个系统辅助模块，包括参考电压电流生成电路REF、数字电源电压和模拟电压生成电路LDO和高压生成电路CPP，可以对这些电路进行参数配置；其中数字电源电压和模拟电压生成电路LDO可由线性稳压器电路实现，高压生成电路CPP可由电荷泵电路实现。
参考电压电流生成电路REF给系统生成各种不随温度变化、不随电源电压变化的电压和电流；模拟电压生成电路LDO生成数字部分电源电压和模拟部分电源电压；时钟生成电路CLKGEN给系统供给各种频率的时钟；高压生成电路CPP 为高压反馈驱动模块提供高压电源；电源启动检测电路POR用于对电源是否正常上电进行检测。上述各个模块的电路结构为本领域现有技术，在此不再赘述。
系统处于数字工作模式时，通过数字处理模块DPM(内置存储器)的数据可以实施零偏温度系数校准、刻度因子温度系数校准、非线性校准、零偏补偿、刻度因子校准、系统带宽补偿等精准控制措施，并且内置的滤波器组可通过存储器配置低通滤波器的参数如带宽和速率等，数字处理模块DPM内置多种数字通信接口如I2C、SPI、RS485等众多数字接口，可通过存储器预存的配置选择。
高压生成电路CPP、高压反馈驱动模块HVF、数字处理模块DPM可实现灵活配置各个高压反馈驱动模块HVF输出高压共模电压和系统刻度因子等参数，并实现X、Y、Z三个轴向单独配置，从而使其满足不同MEMS加速度计表头匹配要求，扩大MEMS加速度计表头适配范围。
其中，温度传感器TS输出的电压信号经过温度传感器量化电路T_ADC量化后接入数字处理模块DPM进行温度补偿。
低通滤波器LPF和数字处理模块DPM可以内置吸合检测并重启系统方案、饱和检测并重启系统方案、饱和振荡检测重启系统方案，可以进一步提高系统可靠性，从而提高良率。
数模转换器DAC、模拟加法器SUM、高压反馈驱动模块HVF和数字处理模块 DPM一起可实现系统自检测；检测使能可通过引脚或存储器配置使能来进行自检测，方便用户检错使用。
模拟乘法电路AMUX、数字处理模块DPM和存储器一起可分别配置三个轴向闭环模式还是开环模式，提高电路适配范围同时方便用户使用，且可以进一步提高系统可靠性，从而提高良率；选择开环时，可关闭内部不用的电路，以此来节省器件功耗。
数字处理模块中内置存储器，其存储器可以采用一次可编程存储器、多次可擦写存储器等。
采用本发明所述MEMS三轴闭环加速度计读出电路，可对加速度计形成闭环控制；三个轴向可分别实现信号模拟和数字输出；每个轴向读出电路都可单独选择闭环控制还是开环控制；同时内部集成存储器和控制电路，实现三个轴向读出电路参数灵活配置，对加速度计加工参数进行及时调整,从而提高器件良率；同时兼容信号模拟输出和数字输出，方便用户使用。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三轴MEMS加速度计闭环读出电路，其特征在于：包括三个单轴闭环读出电路，三个所述单轴闭环读出电路分别与所述三轴MEMS加速度计的X、Y、Z轴连接，三个所述单轴闭环读出电路的输出端与加速度计信号数字量化模块的数据输入端连接，所述加速度计信号数字量化模块的输出端与数字处理模块的输入端连接，所述数字处理模块的输出端数字输出加速度计信号。
2.根据权利要求1所述的三轴MEMS加速度计闭环读出电路，其特征在于：所述单轴闭环读出电路由电容电压转换电路、低通滤波器、比例积分微分控制器、模式控制电路、加速度计信号量化模块、自校准模块组成，所述电容电压转换电路与三轴MEMS加速度计连接，所述电容电压转换电路的输出端连接所述低通滤波器，所述低通滤波器的输出端连接所述比例积分微分控制器；比例积分微分控制器输出端与模式控制电路连接；模式控制电路输出端连接加速度计信号量化模块；电容电压转换电路输出还连接至自校准模块。
3.根据权利要求2所述的三轴MEMS加速度计闭环读出电路，其特征在于：所述单轴闭环读出电路还包括反馈支路，所述反馈支路由数模转换器和模拟加法器、高压反馈电路组成，所述模拟加法器的两个输入分别与数模转换器和比例积分微分控制器的输出端连接，所述模拟加法器的输出端连接高压反馈驱动模块，所述高压反馈驱动模块的输出作为反馈输出端连接加速度计力平衡输入端。
4.根据权利要求2所述的三轴MEMS加速度计闭环读出电路，其特征在于：所述电容电压转换电路包括差分运算放大器及与差分运算放大器的输出端连接的解调器，所述差分运算放大器的输入端和输出端之间连接有放大反馈电容，所述差分运算放大器的两个输入端之间串联有零偏补偿电容。
5.根据权利要求1所述的三轴MEMS加速度计闭环读出电路，其特征在于：还包括温度传感器和与温度传感器连接的温度信号模数转换器,温度信号模数转换器的输出端连接数字处理模块。
6.根据权利要求1或5所述的三轴MEMS加速度计闭环读出电路，其特征在于：所述数字处理模块的通信接口包括I2C、SPI、RS485数字通信接口的其中一种或多种。
7.根据权利要求1或5所述的三轴MEMS加速度计闭环读出电路，其特征在于：所述数字处理模块包含存储器和存储器控制模块，所述存储器为一次可编程存储器或多次可擦写存储器。
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