CN203275442U

CN203275442U - 传感器电路

Info

Publication number: CN203275442U
Application number: CN2013201716166U
Authority: CN
Inventors: 乔纳森·亚当·克莱克斯; 约恩·奥普里斯; 贾斯廷·森
Original assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2023-04-08
Also published as: CN103364590B; KR102034604B1; KR20130112804A; CN103364590A

Abstract

本申请涉及传感器电路。一种传感器电路，包括微机电系统(MEMS)传感器和集成电路(IC)，所述MEMS传感器包括第一电容元件和第二电容元件，所述IC包括开关网络电路和电容测量电路。所述开关网络电路配置成将所述MEMS传感器的所述第一电容元件与所述IC的第一输入端电解耦，并且将所述第二电容元件电耦合到所述IC的第二输入端。所述电容测量电路可配置成在向该被解耦的第一电容元件施加第一电信号期间测量所述MEMS传感器的所述第二电容元件的电容。

Description

传感器电路

技术领域

总的来说，本申请涉及电子电路，更具体地，涉及MEMS传感器电路。

背景技术

微机电系统（MEMS）包括执行电力和机械功能的小型机械设备，该机械设备使用与制作集成电路所使用的工艺相似的光刻工艺制作而成。有些MEMS设备是能够检测运动的传感器，比如加速计，或者是能够检测角速度的传感器，比如陀螺仪。加速计是响应于作用在自身上的加速度而经历可测量的变化的设备。MEMS加速计可包括压电式、压阻式和电容式加速计。电容式加速计响应于加速度而经历电容的变化。MEMS加速计的生产包括测试，该测试应当快速检测出所加工的设备中的任何缺陷。

实用新型内容

除了其他方面以外，本申请还讨论了用于对MEMS传感器进行测试的设备、系统和方法。一种示例设备，包括MEMS传感器和集成电路（IC），所述MEMS传感器包括第一电容元件和第二电容元件。所述IC包括开关网络电路和电容测量电路。所述开关网络电路配置成将所述MEMS传感器的所述第一电容元件与所述IC的第一输入端电解耦，并且将所述第二电容元件电耦合到所述IC的第二输入端。所述电容测量电路可配置成在向该被解耦的第一电容元件施加第一电信号期间测量所述MEMS传感器的所述第二电容元件的电容。

该MEMS传感器不需要额外的测试电容器。这就使得该MEMS传感器需要更少的电路部件和电路接点，简化了设计。

实用新型内容部分旨在提供对本专利申请的主题的概述，并非旨在提供本申请的排他性或穷举性说明。本文包括具体实施方式以提供与本专利申请有关的进一步信息。

附图说明

附图（这些附图不一定是按照比例绘制的）中，相同的数字能够描述不同视图中的相似部件。附图通过示例而非限制的方式概括地示出了本申请中讨论的各个实施例。

图1示出了示例性MEMS传感器和集成电路的部分的方框图；

图2示出了实现MEMS传感器的自测试的示例性方法的流程图；

图3示出了测试MEMS传感器的一个示例性电路；

图4示出了测试MEMS传感器的另一个示例性电路；

图5更详细示出了示例性测试电路的图。

具体实施方式

图1示出了示例性MEMS传感器105和用来监控传感器输出变化的集成电路（IC）110的部分的方框图。该MEMS传感器105可以是电容式加速计，其中该IC监控该传感器的电容响应于作用在该传感器上的加速度而发生的变化。

典型的MEMS电容式加速计包括可移动检测质量块（proof mass），该可移动检测质量块具有通过机械式悬挂系统（mechanical suspension）附着到参考框架（reference frame）上的电容元件。图1所示的两个电容元件为电路电容器，分别标记为CaP和CaN。实际的电容元件可由电耦合的（比如，并联的）多个板组成，以产生如图1中所示的电容器CaP或CaN那样的总电容。如图1所示，电容器构成从MEMS传感器105的两个输出端到公用电路节点115的桥，公用电路节点115可表示到可移动检测质量块的电路连接。每个电容器的一个板或一组板可附着到该可移动检测质量块，而另一个板或另一组板是固定的。

施加到MEMS加速计上的加速度导致检测质量块的移动。该检测质量块的位移改变了电容器的板之间的间隔。该位移大体与所述两个电容元件之间产生的电容差成比例。将该检测质量块和机械式悬挂系统建模成弹簧可使加速度根据胡可定律由位移确定出来。

总体而言，电容器对的电容变化与一个方向上的加速度有关。增加垂直于该第一电容器对设置的另一电容器对可确定出第二方向上的加速度，这两个电容器对可用作双轴加速计。三个电容器对是为三轴或三维（3D）加速计考虑的。

为了对加速计进行测试，可利用电容式MEMS传感器还可用作致动器这个优势。典型地，添加电容器到在测试模式下使用的MEMS传感器上以增加静电电荷并驱动检测质量块。该测试方式需要在MEMS传感器上制作额外的电容器和额外的电触头。更好的方法是在测试中使用传感电容元件本身。这样，由于不需要专用于测试的部件而简化了MEMS传感器的设计。

图2为实现MEMS电容式传感器的自测试的示例性方法200的流程图。在正常工作模式下，如图1所示，MEMS传感器被电耦合到IC（例如专用集成电路或ASIC）。正常模式下，该IC测量该MEMS传感器的输出端处的电容。在框205处，在测试模式下，将该MEMS传感器的第一电容元件与该IC电解耦。在框210处，将第一电信号施加到被解耦的电容元件上。施加该第一电信号可导致检测质量块移动并改变第二电容元件的电容，在框215处测量第二电容元件的电容。相似地，可对第一电容元件进行测量。

回到图1，IC110包括开关网络电路120。该开关网络电路120可在正常模式和测试模式下工作。在正常工作模式下，该开关网络可将MEMS传感器105的第一和第二电容元件（例如CaP和CaN）耦合成电容元件对。该电容元件对响应于加速度而改变电容，从而形成加速度-电容传感器。

测试模式下，开关网络电路120可将MEMS传感器105的第一电容元件与IC的第一输入端电解耦，将第二电容元件电耦合到IC110的第二输入端。该IC110还包括电容测量电路125，该电容测量电路125在向该被解耦的第一电容元件施加第一电信号期间测量该MEMS传感器的第二电容元件的电容。

图3是该测试方法的图示。为了对电容器CaN进行测试，将MEMS传感器305的电容器CaP与IC310的电路电断开或电隔离。在这两个电容器共用的电路节点315（标记为节点A）处可获得到检测质量块的外部电连接。电信号被施加到被解耦的电容器CaP的引线（标记为节点B）。可与节点A同相或异相地驱动节点B以测试该传感器。在反相的情况下，该检测质量块被静电牵拉以模仿加速力的变化。然后，可在驱动节点B的同时测量CaN的电容。这可证实当检测质量块移动时电容元件发生变化。当同相驱动节点A和节点B时，可证实电容变化很小或根本不变化。

可以相似的方式测量电容器CaP，如图4所示。为了测试电容器元件CaP，开关网络电路将MEMS传感器405的电容器CaN与IC410电解耦，并将电容器CaP电耦合到IC410。电信号被施加到被解耦的电容器CaN的引线（标记为节点B）。可与节点A同相或异相地驱动节点B以测试该传感器。如果该MEMS传感器是多维传感器，那么该测试可针对多个电容元件对反复进行。

根据一些示例，用于驱动被解耦的电容器的电信号是方波。回到图1，可使用测试电路130将第一方波施加到被解耦的第一电容元件（比如图3中的CaP），并将第二方波信号施加到外部电路节点（比如图3中的电路节点315）。该外部电路节点由第一电容元件和第二电容元件共用，并可电耦合到检测质量块。

电容测量电路125在施加第一和第二方波信号期间测量第二电容元件（比如图3中的CaN）的电容。在某些示例中，第二方波信号与第一方波信号的相位相反，以模仿加速度的变化。对该设备的测试可以只是成功/失败测试，也可以量化电容的变化并将该量化的变化与目标电容值或值的范围进行比较。在某些示例中，第二方波信号与第一方波信号同相。然后该测试可证实测得的电容小于目标电容值。

根据一些示例，电容测量电路125包括差分输入模数转换器（ADC）电路，该ADC电路配置成产生代表被测量的电容元件（例如CaP或CaN）的电容的数字值。在某些示例中，电容测量电路125包括差分输入Σ-ΔADC电路。

图5为图4中测试电路的示意图，示出了如何将MEMS传感器的电容元件连接到Σ-ΔADC电路525的更详细的示例。所示该示例包括电容器和一阶积分器。在某些示例中，该积分器可以是更高阶的积分器。Σ-ΔADC电路525 的输出端产生代表该MEMS传感器的电容的计数值。这样，该MEMS传感器的电容元件形成具有Σ-ΔADC的电容-电压传感器电路。所述Σ-ΔADC电路的输出端后面可跟着数字低通滤波电路135。在图5的示例中，Σ-ΔADC电路525的输出端用于产生计数值，该计数值代表当开关网络电路在测试模式下工作时CaP的电容。

IC可包括由CstP and CstN组成的自测试电容器对。在某些示例中，该电容器具有相同的电容值。如果该MEMS传感器的第一电容元件与该IC电解耦，则该开关网络电路可以将该MEMS传感器的第二电容元件电耦合到该ADC电路的第一输入端，并且经由该自测试电容器对电耦合到该ADC电路的第二输入端。这样，该开关网络电路将该自测试电容器对配置成所述IC的电容-电压传感器的一部分。

在一些示例中，该IC包括用于消除该ADC电路的任何共模偏移的至少一个补偿电容器（例如CofP和/或CofN）。如果该MEMS传感器的第一电容元件与该IC电解耦，则该开关网络电路可以在测量第二电容元件期间将该第二电容元件和该补偿电容器电耦合到该差分输入ADC电路的第一输入端。在图5的示例中，该MEMS电容器（CaP）和该补偿电容器（CofP）形成电容器-电压传感器的一部分，该电容器-电压传感器被合并形成该ADC电路的输入端。

请注意，只有用于测量加速度的MEMS传感器的电容元件才在测试中使用，该MEMS传感器不需要额外的测试电容器。这就使得该MEMS传感器需要更少的电路部件和电路接点，简化了设计。

补充注释&示例

示例1可包括或使用主题（例如一种装置），该主题包括微机电系统（MEMS）传感器和IC，该MEMS传感器包括第一电容元件和第二电容元件，该IC包括开关网络电路和电容测量电路，该开关网络电路配置成将所述MEMS传感器的所述第一电容元件与所述IC的第一输入端电解耦并且将所述第二电容元件电耦合到所述IC的第二输入端，该电容测量电路配置成在向被解耦的第一电容元件施加第一电信号期间测量所述MEMS传感器的所述第二电容元件的电容。

示例2中，示例1所述的主题可选地包括开关网络，该开关网络配置成将所述MEMS传感器的所述第二电容元件与所述IC电解耦，并且将所述第一电容元件电耦合到所述IC。所述电容测量电路可选地配置成在向被解耦的第二电容元件施加第二电信号期间测量所述MEMS传感器的所述第一电容元件的电容。

示例3中，示例1-2的任意一个或任意组合所述的主题可选地包括测试电路，该测试电路配置成：向所述被解耦的第一电容元件施加第一方波信号，向所述第一电容元件和所述第二电容元件共用的外部电路节点施加第二方波信号。所述第二方波信号的相位可选地与所述第一方波信号的相位相反，并且所述电容测量电路可选地配置成在施加所述第一方波信号和所述第二方波信号期间测量所述第二电容元件的电容。

示例4中，示例1和2的任意一个或任意组合所述的主题可选地包括测试电路，该测试电路配置成：向所述被解耦的第一电容元件施加第一方波信号，以及向由所述第一电容元件和所述第二电容元件共用的外部节点施加第二方波信号。所述第二方波信号与所述第一方波信号同相，并且所述电容测量电路配置成在施加所述第一方波信号和所述第二方波信号期间测量所述电容。

示例5中，示例1-4的任意一个或任意组合所述的主题可选地包括电容测量电路，该电容测量电路包括差分输入模数转换器（ADC）电路，该ADC电路配置成产生代表所述第二电容元件的电容的数字值。

示例6中，示例5所述的主题可选地包括具有自测试电容器对的IC。所述开关网络电路可选地配置成：将所述MEMS传感器的所述第二电容元件电耦合到所述ADC电路的第一输入端，以及将所述自测试电容器对配置为所述IC内部的电容-电压传感器，并且将所述自测试电容器对电耦合到所述ADC电路的第二输入端。

示例7中，示例5-6的任意一个或任意组合所述的主题可选地包括IC，该IC包括配置成消除所述ADC电路的任何共模偏移的至少一个补偿电容器。所述开关网络电路可选地配置成在测量所述第二电容元件期间将所述第二电容元件和所述补偿电容器电耦合到所述差分输入ADC电路的所述第一输入端。

示例8中，示例5-7的任意一个或任意组合所述的主题可选地包括差分输入Σ-ΔADC电路。

示例9中，示例1-8的任意一个或任意组合所述的主题可选地包括开关网络电路，该开关网络电路可选地配置成在测试模式和正常模式下工作。在所述测试模式下，所述开关网络可选地配置成将所述第一电容元件和所述第二电容元件中的至少一个与所述IC电解耦，在所述正常模式下，所述开关网络电路可选地配置成将所述MEMS传感器的所述第一电容元件和所述第二电容元件耦合为第一电容元件对。所述第一电容元件对可选地配置成响应于第一方向上的加速度而改变电容。

示例10中，示例1-9的任意一个或任意组合所述的主题可选地包括电容-电压传感器电路。

示例11中，示例1-10的任意一个或任意组合所述的主题可选地包括MEMS传感器，该MEMS传感器包括加速计。

示例12可包括以下主题（例如一种用于实施行为的装置，方法，或者包括当由机器执行时使该机器实施行为的指令的机器可读介质），或可选地与示例1-11的任意一个或任意组合相结合以包括以下主题，该主题包括：将MEMS传感器的第一电容元件与IC电解耦，向该被解耦的电容元件施加第一电信号，以及在施加所述第一电信号期间测量所述MEMS传感器的第二电容元件的电容。该主题可包括解耦第一电容元件的装置，其说明性示例可包括一个或多个开关电路或开关网络。该主题可包括将第一电信号施加到被解耦的电容元件的装置，其说明性示例可包括测试电路。该主题可包括在施加所述第一电信号期间测量所述MEMS传感器的第二电容元件的电容的装置，其说明性示例可包括电容测量电路、ADC电路、差分ADC电路和差分Σ-ΔADC电路。

示例13中，示例12所述的主题可选地包括：将所述MEMS传感器的所述第二电容元件与所述IC电解耦；向所述第二电容元件施加第二电信号；以及在施加所述第二电信号期间测量所述MEMS传感器的所述第一电容元件的电容。

示例14中，示例12和13的任意一个或任意组合所述的主题可选地包括：将第一方波信号施加到所述第一电容元件；将第二方波信号施加到所述第一电容元件和所述第二电容元件共用的外部节点，所述第二方波信号的相位与所述第一方波信号的相位相反；在施加所述第一方波信号和所述第二方波信号期间测量所述第二电容元件的电容。

示例15中，示例12和13的任意一个或任意组合所述的主题可选地包括：将第一方波信号施加到所述第一电容元件；将第二方波信号施加到所述第一电容元件和所述第二电容元件共用的外部节点，其中，所述第二方波信号与所述第一方波信号同相；在施加所述第一方波信号和所述第二方波信号期间测量所述第二电容元件的电容。

示例16中，示例12-15的任意一个或任意组合所述的主题可选地包括：利用差分输入Σ-Δ模数转换器（ADC）电路产生代表所述第二电容元件的电容的数字值。

示例17中，示例16所述的主题可选地包括：将所述第二电容元件电耦合到差分输入ADC电路的第一输入端；以及将所述IC内部的自测试电容器对电耦合到所述ADC电路的第二输入端，其中所述自测试电容器对形成所述IC内部的电荷-电压传感器。

示例18中，示例12-17的任意一个或任意组合所述的主题可选地包括在测试模式期间测量所述第一电容元件和所述第二电容元件，其中，在正常工作模式下，所述第一电容元件和所述第二电容元件包括第一电容元件对，并配置成响应于第一方向上的加速度而改变电容。

示例19中，示例12-18的任意一个或任意组合所述的主题可选地包括：在所述正常工作模式下，使用至少一个补偿电容器来消除任何共模电压；以及在所述测试模式期间，在测量所述第二电容元件时，将所述补偿电容器和所述第二电容元件电耦合到所述差分输入ADC电路的所述第一输入端。

示例20中，示例12-19的任意一个或任意组合所述的主题可选地包括：测量加速度-电容MEMS传感器的第二电容元件的电容。

示例21可包括以下主题，或可选地与示例1-20中任意一个或多个示例的任一部分或多个任意部分的组合相结合以包括以下主题，该主题可包括：用于执行示例1-20的功能中的任意一种或多种功能的装置，或包括当由机器执行时使机器执行示例1-20的功能中的任意一种或多种功能的指令的机器可读介质。

这些非限制性示例中的每一个可以是独立的，也可以并列组合或与其他示例中的一个或多个相结合。

上述详细说明书参照了附图，附图也是所述详细说明书的一部分。附图以图解的方式显示了可应用本申请的具体示例。这些实施例在本申请中被称作“示例”。本申请所涉及的所有出版物、专利及专利文件全部作为本申请的参考内容，尽管它们是分别加以参考的。如果本申请与参考文件之间存在用途差异，则将参考文件的用途视作本申请的用途的补充，若两者之间存在不可调和的差异，则以本申请的用途为准。

在本申请中，与专利文件通常使用的一样，术语“一”或“某一”表示包括一个或多个，但其他情况或在使用“至少一个”或“一个或多个”时应除外。在本申请中，除非另外指明，否则使用术语“或”指无排他性的或者，使得“A或B”包括：“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”。在所附权利要求中，术语“包含”和“在其中”等同于各个术语“包括”和“其中”的通俗英语。同样，在所附权利要求书中，术语“包含”和“包括”是开放性的，即，系统、设备、物品或步骤包括除了权利要求中这种术语之后所列出的那些部件以外的部件的，依然视为落在该条权利要求的范围之内。而且，在下面的权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标签，并非对对象有数量要求。

上述说明的作用在于解说而非限制。上述实施例（或实施例的一个或多个方面）可结合使用。可以在理解上述说明书的基础上，利用现有技术的某种常规技术来执行其他示例。遵照37C.F.R.§1.72（b）的规定提供摘要，允许读者快速确定本技术公开的性质。提交本摘要时要理解的是该摘要不用于解释或限制权利要求的范围或意义。同样，在上面的具体实施方式中，各种特征可归类成将本公开合理化。这不应理解成未要求的公开特征对任何权利要求必不可少。相反，本申请的主题可在于特征少于特定公开的示例的所有特征。因此，下面的权利要求据此并入具体实施方式中，每个权利要求均作为一个单独的示例。应参看所附的权利要求，以及这些权利要求所享有的等同物的所有范围，来确定本申请的范围。

Claims

1.一种传感器电路，包括：

微机电系统MEMS传感器，包括第一电容元件和第二电容元件；以及IC，包括：

开关网络电路，配置成将所述MEMS传感器的所述第一电容元件与所述IC的第一输入端电解耦，并且将所述第二电容元件电耦合到所述IC的第二输入端；以及

电容测量电路，配置成在向被解耦的第一电容元件施加第一电信号期间测量所述MEMS传感器的所述第二电容元件的电容。

2.如权利要求1所述的传感器电路，

其中，所述开关网络配置成将所述MEMS传感器的所述第二电容元件与所述IC电解耦，并且将所述第一电容元件电耦合到所述IC；并且

其中，所述电容测量电路配置成在向被解耦的第二电容元件施加第二电信号期间测量所述MEMS传感器的所述第一电容元件的电容。

3.如权利要求1所述的传感器电路，包括测试电路，该测试电路配置成：

向所述被解耦的第一电容元件施加第一方波信号；

向所述第一电容元件和所述第二电容元件共用的外部电路节点施加第二方波信号，其中所述第二方波信号的相位与所述第一方波信号的相位相反，并且

其中所述电容测量电路配置成在施加所述第一方波信号和所述第二方波信号期间测量所述第二电容元件的电容。

4.如权利要求1所述的传感器电路，包括测试电路，该测试电路配置成：

向所述被解耦的第一电容元件施加第一方波信号；以及

向由所述第一电容元件和所述第二电容元件共用的外部节点施加第二方波信号，

其中所述第二方波信号与所述第一方波信号同相，并且

其中所述电容测量电路配置成在施加所述第一方波信号和所述第二方波信号期间测量所述电容。

5.如权利要求1所述的传感器电路，其中，所述电容测量电路包括差分输入模数转换器ADC电路，该ADC电路配置成产生代表所述第二电容元件的电容的数字值。

6.如权利要求5所述的传感器电路，

其中，所述IC包括自测试电容器对，

其中，所述开关网络电路配置成：

将所述MEMS传感器的所述第二电容元件电耦合到所述ADC电路的第一输入端；以及

将所述自测试电容器对配置为所述IC内部的电容-电压传感器，并且将所述自测试电容器对电耦合到所述ADC电路的第二输入端。

7.如权利要求5所述的传感器电路，

其中，所述IC包括配置成消除所述ADC电路的任何共模偏移的至少一个补偿电容器；

其中，所述开关网络电路配置成在测量所述第二电容元件期间将所述第二电容元件和所述补偿电容器电耦合到所述差分输入ADC电路的所述第一输入端。

8.如权利要求5所述的传感器电路，其中，所述ADC电路为差分输入Σ-ΔADC电路。

9.如权利要求1所述的传感器电路，

其中，所述开关网络电路配置成在测试模式和正常模式下工作，

其中，在所述测试模式下，所述开关网络配置成将所述第一电容元件和所述第二电容元件中的至少一个与所述IC电解耦，

其中，在所述正常模式下，所述开关网络电路配置成将所述MEMS传感器的所述第一电容元件和所述第二电容元件耦合为第一电容元件对，并且

其中，所述第一电容元件对配置成响应于第一方向上的加速度而改变电容。

10.如权利要求1所述的传感器电路，其中，所述IC包括电容-电压传感器电路。

11.如权利要求1所述的传感器电路，其中，所述MEMS传感器包括加速计。