CN220670552U - Mems传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种MEMS传感器，其包括：第一驱动电容和第二驱动电容；驱动器，其包括第一驱动单元、第二驱动单元和多路选择器。在所述谐振器启动期间中，所述多路选择器输出第一驱动单元输出的相位相反的第一对方波驱动信号，在所述谐振器正常运行时，所述多路选择器输出第二驱动单元输出的相位相反的第二对方波驱动信号，所述多路选择器输出的一对方波驱动信号被分别耦接至第一驱动电容和第二驱动电容的第二连接端。第一对方波驱动信号的高电平高于第二对方波驱动信号的高电平。这样可以降低MEMS传感器的启动时间。

Description

MEMS传感器

【技术领域】

本实用新型涉及传感器领域，尤其涉及一种快速启动的MEMS(微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)传感器。

【背景技术】

在MEMS陀螺仪或其他基于谐振器的MEMS传感器中，谐振器的谐振将作为整个系统的参考。然而，现有的MEMS传感器的谐振器从静止状态到幅度达到期望幅值的稳定简谐运动状态的启动时间通常为100毫秒，这对于便携式应用中的高级应用来说太慢了，并且降低了总体功率效率。

因此，亟需提出一种新的技术方案来解决上述问题。

【实用新型内容】

本实用新型的目的之一在于提供一种快速启动的MEMS传感器，其可以大大缩短MEMS传感器的启动时间。

为实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种MEMS传感器，其包括：谐振器，其包括第一驱动电容和第二驱动电容，其中第一驱动电容的第一连接端和第二驱动电容的第一连接端耦接至预定直流驱动电压；驱动器，其包括第一驱动单元、第二驱动单元和多路选择器，第一驱动单元输出相位相反的第一对方波驱动信号，第二驱动单元输出相位相反的第二对方波驱动信号，第一对方波驱动信号的高电平高于第二对方波驱动信号的高电平，所述多路选择器根据选择控制信号选择第一对方波驱动信号或者第二对方波驱动信号作为输出，所述多路选择器输出的一对方波驱动信号被分别耦接至第一驱动电容的第二连接端和第二驱动电容的第二连接端，其中在所述谐振器启动期间中，所述选择控制信号被配置为第一逻辑电平，使得所述多路选择器输出第一对方波驱动信号，在所述谐振器正常运行时，所述选择控制信号被配置为第二逻辑电平，使得所述多路选择器输出第二对方波驱动信号。

与现有技术相比，本实用新型在所述MEMS传感器的谐振器启动期间，利用高电平较高的第一对方波驱动信号对所述谐振器进行驱动，在所述MEMS传感器的谐振器正常运行时，利用高电平较低的第二对方波驱动信号对所述谐振器进行驱动，这样可以大大缩短启动时间。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本实用新型中的MEMS传感器在一个实施例中的部分结构示意图；

图2为图1中的驱动器在一个实施例中的结构示意图；

图3为图1中的谐振器以及驱动检测电容组在一个实施例中的结构示意图；

图4为MEMS传感器的谐振器的RLC模拟模型；

图5为利用第一对方波驱动信号和第二对方波驱动信号驱动图4所示的RLC模型的模拟结果。

【具体实施方式】

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“耦接”等术语应做广义理解；例如，可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，所述中间媒介可以是电子元器件、功能电路等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。本文中MEMS陀螺仪或MEMS传感器是指基于MEMS的陀螺仪和传感器。

在现有的解决方案中，启动时间为MEMS传感器的谐振器开始共振到其期望的机械位移幅度所需的时间，所述期望的机械位移幅度由通过静电致动和感测锁定频率和幅度的控制回路设定。

为了更低的功耗，MEMS传感器的谐振器在共振稳态(或称为振幅达到期望幅值的简谐运动状态)时，通过最小振幅致动以获得最大机械位移幅度，但是在初始启动期间，可以通过提高驱动MEMS传感器的致动振幅以减少启动时间。

图1为本实用新型中的MEMS传感器100在一个实施例中的部分结构示意图。图2为图1中的驱动器DR在一个实施例中的结构示意图。所述MEMS传感器100可以是MEMS陀螺仪，也可以是其他采用相关原理的基于谐振器的MEMS传感器。

如图1所示的，所述MEMS传感器100包括谐振器110和驱动器(DR)120。所述谐振器110包括第一驱动电容D_p和第二驱动电容D_n，其中第一驱动电容D_p的第一连接端和第二驱动电容D_n的第一连接端耦接至预定直流驱动电压V_PM。如图2所示的，所述驱动器120包括第一驱动单元D1、第二驱动单元D2和多路选择器MUX。第一驱动单元D1输出相位相反的第一对方波驱动信号S1_1和S1_2。第二驱动单元D2输出相位相反的第二对方波驱动信号S2_1和S2_2。第一对方波驱动信号S1_1和S1_2的高电平高于第二对方波驱动信号S2_1和S2_2的高电平。比如，第一对方波驱动信号S1_1和S1_2的高电平可以为4V，而第二对方波驱动信号S2_1和S2_2的高电平可以为2V。一对方波驱动信号的相位相反是指在一个方波驱动信号为高电平时，另一个方波驱动信号为低电平，在所述一个方波驱动信号为低电平时，该另一个方波驱动信号为高电平，两者相位相差180度。所述多路选择器MUX根据选择控制信号ST选择第一对方波驱动信号S1_1和S1_2或者第二对方波驱动信号S2_1和S2_2作为输出，所述多路选择器MUX输出的一对方波驱动信号被分别耦接至第一驱动电容D_p的第二连接端和第二驱动电容D_n的第二连接端。

本实用新型中，在所述MEMS传感器的谐振器启动期间中，所述选择控制信号ST被配置为第一逻辑电平，使得所述多路选择器MUX输出第一对方波驱动信号，以高电平更高的一对方波驱动信号对所述谐振器110进行起振，以加快启动时间。所述启动时间可以为所述MEMS传感器的谐振器从静止状态到振幅达到期望幅值的简谐运动状态所需要的时间。在所述谐振器正常运行时，所述选择控制信号ST被配置为第二逻辑电平，使得所述多路选择器MUX输出第二对方波驱动信号。

图3为图1中的谐振器以及驱动检测电容组在一个实施例中的结构示意图。如图3所示的，第一驱动电容D_p和第二驱动电容D_n包括第一驱动电容电极111、第二驱动电容电极112以及位于第一驱动电容电极111和第二驱动电容电极112之间的可移动质量块113。所述可移动质量块113作为第一驱动电容D_p的第一连接端和第二驱动电容D_n的第一连接端与预定直流驱动电压V_PM耦接。第一驱动电容电极111作为第一驱动电容D_p的第二连接端，第二驱动电容电极112作为第二驱动电容D_n的第二连接端。在所述多路选择器MUX输出的一对方波驱动信号的驱动下，所述可移动质量块113做简谐运动。有关所述谐振器110的详细工作过程以及原理，可以参考现有文献，此处不再赘述。

启动期间时更高的方波驱动信号的高电平意味着MEMS传感器的谐振器可以获得更高的驱动力。在一个实施例中，所述可移动质量块113受到的驱动力α为：

其中V_S为方波驱动信号的高电平和低电平的压差。

举例来说，如果V_PM为25V，V_S为2V，则α为23，如果V_PM为25V，V_S为4V，则α为42。如上述公式所示，当V_S加倍时，驱动力几乎加倍。

图4为MEMS传感器的谐振器的RLC模拟模型。利用所述RLC模拟模型来模拟第一驱动电容D_p和第二驱动电容D_n在一对方波驱动信号驱动下的状态。在示例中，V_PM为24V，一对方波驱动信号S_1和S_2为高电平为2V或4V，频率为26.48kHz，观察随时间的输入电流i_in,p，i_in,n。图5为利用第一对方波驱动信号和第二对方波驱动信号驱动图4所示的RLC模型的模拟结果。其中，S2为高电平为4V的方波驱动信号驱动时的输入电流i_in,p，i_in,n的波形示意图，S1为高电平为2V的方波驱动信号驱动时的输入电流i_in,p，i_in,n的波形示意图。从图5中可以看出，进入MEMS(谐振器)的RLC模型的差分电流的斜率在启动时加倍，这反过来将减少启动时间。

如图2所示的，第一驱动单元D1基于第一预定电压V1产生第一对方波驱动信号S1_1和S1_2，第一对方波驱动信号S1_1和S1_2的高电平为第一预定电压V1，第一预定电压V1在所述MEMS传感器的谐振器的启动期间保持不变。第一预定电压V1可以为4V、5V等电压值。第二驱动单元D2基于模拟自动增益控制信号V_AGC产生第二对方波驱动信号。每个方波驱动信号的低电平可以为零电平。

在一个示例中，第一驱动单元D1可以包括开关组合，所述开关组合的开关周期根据驱动时钟信号clk_gyro确定。在一个开关周期内的第一个阶段，将第一预定电压V1连接至其第一输出端相连，将零电平连接至其第二输出端，在一个开关周期内的第二个阶段，将第一预定电压V1连接至其第二输出端相连，将零电平连接至其第一输出端。这样，通过各个开关周期的不断重复，第一驱动单元D1就可以产生高电平为第一预定电压V1的相位相反的第一对方波驱动信号S1_1和S1_2。根据相同的原理，第二驱动单元D2也可以产生相位相反的第二对方波驱动信号S2_1和S2_2。

再次参看图1所示的，所述的MEMS传感器还包括：电源电路CP、驱动检测电容组130、驱动电荷放大器DCSA、数字处理电路140、驱动模数转换器DADC、比较器Comp、锁相环PLL、自动增益控制数模转换器AGC_DAC。所述数字处理电路140包括自动增益控制模块AGC。

所述电源电路CP输出端提供所述预定直流驱动电压V_PM。

所述驱动检测电容组130包括第一驱动检测电容D_sense_p和第二驱动检测电容D_sense_n。如图3所示的，第一驱动检测电容D_sense_p和第二驱动检测电容D_sense_n包括第一驱动检测电容电极131、第一驱动检测电容电极132和位于第一驱动检测电容电极131、第二驱动检测电容电极132之间的所述可移动质量块113。其中所述可移动质量块作为第一驱动检测电容D_sense_p和第二驱动检测电容D_sense_n的第一连接端与所述预定直流驱动电压V_PM耦接。第一驱动检测电容电极131作为第一驱动检测电容D_sense_p的第二连接端，第二驱动检测电容电极132作为第二驱动检测电容D_sense_n的第二连接端。

所述驱动电荷放大器DCSA的第一输入端与第一驱动检测电容D_sense_p的第二连接端相连，其第二输入端与第二驱动检测电容D_sense_n的第二连接端相连。

所述驱动模数转换器DADC的第一输入端与所述驱动电荷放大器DCSA的第一输出端相连，其第二输入端与所述驱动电荷放大器DCSA的第二输出端相连，其输出端与所述数字处理电路140的自动增益控制模块AGC相连。所述比较器Comp的第一输入端与所述驱动电荷放大器DCSA的第一输出端相连，其第二输入端与所述驱动电荷放大器DCSA的第二输出端相连。

锁相环PLL的参考输入端ref_pll与所述比较器Comp的输出端相连，所述比较器Comp给所述锁相环PLL提供参考时钟，所述锁相环PLL的输出端与所述数字处理电路140相连并给所述数字处理电路140提供锁相环时钟pll_clk。

所述数字处理电路140基于所述锁相环时钟pll_clk产生与所述参考时钟同频同相的反馈时钟pll_fb_clk，并将反馈时钟pll_fb_clk提供给所述锁相环PLL的反馈输入端fb_pll，所述数字处理电路140将所述反馈时钟相移-90度之后作为驱动时钟信号clk_gyro通过驱动时钟端口提供给所述驱动器120。

所述驱动模数转换器AGC_DAC将所述驱动电荷放大器DCSA输出的电压信号转换为数字电压信号，所述自动增益控制模块AGC对所述数字电压信号进行低通滤波，之后通过PID控制器给出控制驱动振幅的数字增益控制信号DAC_da，该数字增益控制信号DAC_da被自动增益控制数模转换器AGC_DAC转换成模拟增益控制信号VAGC，并提供给所述驱动器120。

在正常工作时，所述驱动器120的第二驱动单元D2根据所述驱动时钟信号clk_gyro和所述模拟增益控制信号VAGC产生第二对方波驱动信号，其中根据所述驱动时钟信号clk_gyro确定第二对方波驱动信号的频率。在启动期间，所述驱动器120的第一驱动单元D1基于第一预定电压V1产生第一对方波驱动信号S1_1和S1_2，基于所述驱动时钟信号clk_gyro确定第一对方波驱动信号S1_1和S1_2的频率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改和变型。

Claims (6)

1.一种MEMS传感器，其特征在于，其包括：

谐振器，其包括第一驱动电容和第二驱动电容，其中第一驱动电容的第一连接端和第二驱动电容的第一连接端耦接至预定直流驱动电压；

驱动器，其包括第一驱动单元、第二驱动单元和多路选择器，第一驱动单元输出相位相反的第一对方波驱动信号，第二驱动单元输出相位相反的第二对方波驱动信号，第一对方波驱动信号的高电平高于第二对方波驱动信号的高电平，所述多路选择器根据选择控制信号选择第一对方波驱动信号或者第二对方波驱动信号作为输出，所述多路选择器输出的一对方波驱动信号被分别耦接至第一驱动电容的第二连接端和第二驱动电容的第二连接端，

其中所述选择控制信号在所述谐振器启动期间中被配置为第一逻辑电平，使得所述多路选择器输出第一对方波驱动信号，所述选择控制信号在所述谐振器正常运行时被配置为第二逻辑电平，使得所述多路选择器输出第二对方波驱动信号。

2.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于，第一驱动电容和第二驱动电容包括第一驱动电容电极、第二驱动电容电极以及位于第一驱动电容电极和第二驱动电容电极之间的可移动质量块，所述可移动质量块作为第一驱动电容的第一连接端和第二驱动电容的第一连接端与预定直流驱动电压耦接，第一驱动电容电极作为第一驱动电容的第二连接端，第二驱动电容电极作为第二驱动电容的第二连接端，在所述多路选择器输出的一对方波驱动信号的驱动下，所述可移动质量块做简谐运动。

3.根据权利要求2所述的MEMS传感器，其特征在于，

第一驱动单元基于第一预定电压产生第一对方波驱动信号，第一对方波驱动信号的高电平为第一预定电压，第一预定电压在所述谐振器启动期间保持不变，

第二驱动单元基于模拟自动增益控制信号产生第二对方波驱动信号。

4.根据权利要求3所述的MEMS传感器，其特征在于，每个方波驱动信号的低电平为零电平。

5.根据权利要求3所述的MEMS传感器，其特征在于，其还包括：

电源电路，其输出端提供所述预定直流驱动电压；

驱动检测电容组，其包括第一驱动检测电容和第二驱动检测电容，其中第一驱动检测电容和第二驱动检测电容，所述可移动质量块作为第一驱动检测电容和第二驱动检测电容的第一连接端与预定直流驱动电压耦接；

驱动电荷放大器，其第一输入端与第一驱动检测电容的第二连接端相连，其第二输入端与第二驱动检测电容的第二连接端相连；

数字处理电路，其包括自动增益控制模块；

驱动模数转换器，其第一输入端与所述驱动电荷放大器的第一输出端相连，其第二输入端与所述驱动电荷放大器的第二输出端相连，其输出端与所述数字处理电路的自动增益控制模块相连；

比较器，其第一输入端与所述驱动电荷放大器的第一输出端相连，其第二输入端与所述驱动电荷放大器的第二输出端相连；

锁相环，其参考输入端与所述比较器的输出端相连，所述比较器给所述锁相环提供参考时钟，所述锁相环的输出端与所述数字处理电路相连并给所述数字处理电路提供锁相环时钟；

自动增益控制数模转换器；

所述数字处理电路基于所述锁相环时钟产生与所述参考时钟同频同相的反馈时钟，并将反馈时钟提供给所述锁相环的反馈输入端，所述数字处理电路将所述反馈时钟相移-90度之后作为驱动时钟信号通过驱动时钟端口提供给所述驱动器，

所述驱动模数转换器将所述驱动电荷放大器输出的电压信号转换为数字电压信号，所述自动增益控制模块对所述数字电压信号进行低通滤波，之后通过PID控制器给出控制驱动振幅的数字增益控制信号，该数字增益控制信号被自动增益控制数模转换器转换成模拟增益控制信号，并提供给所述驱动器；

在正常工作时，所述驱动器根据所述驱动时钟信号和所述模拟增益控制信号产生第二对方波驱动信号。

6.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于，所述MEMS传感器为MEMS陀螺仪。