DE102016107299A1

DE102016107299A1 - System und Verfahren für einen MEMS-Sensor

Info

Publication number: DE102016107299A1
Application number: DE102016107299.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Wiesbauer; Christian Ebner; Joseph Hufschmitt; Christian Jenkner; Stephan Mechnig; Francesco Polo; Ernesto Romani
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2016-10-20
Also published as: US20160305838A1; KR101854978B1; CN106066217A; KR20160124697A; US9897504B2; CN106066217B

Abstract

Ein Messverfahren umfasst das Erzeugen eines Antwortsignals als Antwort auf ein Anregungssignal mit einem Sensor. Das Verfahren umfasst auch das Erzeugen eines Abtasttaktsignals gemäß einem Pseudozufallsjitter und das Abtasten des Antwortsignals gemäß dem Abtasttaktsignal, um eine Vielzahl digitaler Abtastungen zu bestimmen. Das Verfahren umfasst auch das Kombinieren der Vielzahl digitaler Abtastungen, um eine Messabtastung zu bilden.

Description

Fachgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein System und ein Verfahren zur Messung und in bestimmten Ausführungsformen ein System und ein Verfahren zur Messung unter Verwendung eines Sensors mit Pseudozufallsjitter.
Stand der Technik
Mikroelektromechanische Systeme (MEMS), die im Allgemeinen Miniaturisierungen verschiedener elektrischer und mechanischer Komponenten umfassen, werden über eine Vielzahl von Materialien und Herstellungsverfahren erzeugt und sind in einer großen Bandbreite von Anwendungen von Nutzen. Diese Anwendungen umfassen Automobilelektronik, medizinische Gerätschaften und tragbare Smart-Elektronik sowie Mobiltelefone, persönliche digitale Assistenten (PDAs), Festplatten, Computerperipherievorrichtungen und drahtlose Vorrichtungen. In diesen Anwendungen können MEMS als Sensoren, Aktuatoren, Beschleunigungsmesser, Schalter, Mikrospiegel und viele andere Vorrichtungen verwendet werden. MEMS sind auch bei der Verwendung in Umgebungsdruckmesssystemen wünschenswert, um entweder absolute oder Differenzialumgebungsdrucke zu messen.
Wenn ein System konzipiert wird, das eine MEMS-Vorrichtung als einen Sensor verwendet, umfasst dies verschiedene Attribute, die dabei berücksichtigt werden müssen, z.B. Auflösung und Temperaturempfindlichkeit. Jegliche/s Einschwingrauschen und Energieverluste, die durch mechanische Resonanzen der MEMS-Vorrichtung verursacht werden, können ebenfalls berücksichtigt werden. In manchen Systemen können solche mechanischen Resonanzen als Antwort auf ein Anregungssignal Schwingungen erzeugen, und diese Schwingungen können Energieverluste aufweisen, die durch einen Qualitätsfaktor (Q) gekennzeichnet sind. Ein höherer Q gibt eine geringere Energieverlustrate in Bezug auf die gespeicherte Energie des Resonators an und deshalb klingen mechanische Schwingungen langsamer ab. Ein niedrigerer Q gibt eine höhere Energieverlustrate in Bezug auf die gespeicherte Energie des Resonators an und deshalb klingen mechanische Schwingungen schneller ab.
Es ist daher eine Aufgabe, Messschaltungen, Messvorrichtungen und entsprechende Verfahren bereitzustellen, mit denen die obigen Nachteile, insbesondere eines hohen Energieverlustes, ganz oder teilweise überwunden oder zumindest abgemildert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Es werden ein Messverfahren gemäß Anspruch 1, eine Messschaltung gemäß Anspruch 10 sowie eine Messvorrichtung gemäß Anspruch 19 angegeben. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsformen. „Nach dem vorherigen Anspruch“ bedeutet dabei „nach dem unmittelbar vorherigen Anspruch“, „nach beiden vorherigen Ansprüchen“ bedeutet „nach den beiden unmittelbar vorherigen Ansprüchen“.
Gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Messverfahren bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Erzeugen eines Antwortsignals durch einen Sensor als Antwort auf ein Anregungssignal. Bei dem Antwortsignal kann es sich insbesondere um eine Reaktion, wie beispielsweise eine Kennlinie, des Sensors handeln. Das Verfahren umfasst ferner Erzeugen eines Abtasttaktsignals gemäß einem Pseudozufallsjitter und Abtasten des Antwortsignals gemäß dem Abtasttaktsignal, um eine Vielzahl von digitalen Abtastungen zu bestimmen. Das Verfahren umfasst ebenfalls Kombinieren der Vielzahl von digitalen Abtastungen, um eine Messabtastung zu bilden.
Gemäß mit einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Messschaltung bereitgestellt. Die Messschaltung umfasst einen Sensor. Die Messschaltung ist konfiguriert, ein Antwortsignal als Antwort auf ein Anregungssignal zu erzeugen. Die Messschaltung ist ferner konfiguriert, ein Abtasttaktsignal gemäß einem Pseudozufallsjitter zu erzeugen und das Antwortsignal gemäß dem Abtasttaktsignal abzutasten, um eine Vielzahl von digitalen Abtastungen zu bestimmen. Die Messschaltung ist ebenfalls konfiguriert, die Vielzahl von digitalen Abtastungen zu kombinieren, um eine Messabtastung zu bilden.
Gemäß mit einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Messvorrichtung bereitgestellt. Die Messvorrichtung umfasst einen Sensor und einen Analog-Digital-Wandler (ADC), der mit einem Ausgang des Sensors gekoppelt ist. Der ADC umfasst einen Pseudozufalls-Sequenzgenerator und einen ersten Oszillator. Der erste Oszillator umfasst einen Eingang, der mit einem Ausgang des Pseudozufalls-Sequenzgenerators gekoppelt ist. Die Messvorrichtung umfasst ebenfalls einen Filter mit einem Eingang, der mit einem Ausgang des ADC gekoppelt ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile wird nunmehr auf die folgenden Beschreibungen Bezug genommen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu betrachten sind, in denen:
1 ein Blockschaltbild ist, das eine Druckmessvorrichtung darstellt, die einen MEMS-basierten Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
2a bis 2c eine MEMS-Kondensatoranordnungsauslegung in Brückenkonfiguration und einen Querschnitt eines MEMS-Kondensators zeigen;
3 ein Diagramm ist, das Wellenformen für ein Differentialantwortsignal mit Einschwingrauschen und für ein Rechteckwellenanregungssignal gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 zeigt Eingangs- und Ausgangswellenformen für MEMS-Kondensatorsensoren in einer aktuellen Ausführungsform, die in einer Brückenkonfiguration angeordnet sind;
5 zeigt eine Steigungssteuerschaltung;
6 zeigt ein digitales Druckmesssystem einer Ausführungsform, das eine Steigungssteuerschaltung verwendet;
7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens einer Ausführungsform;
8 ist ein Blockschaltbild, das einen ADC zeigt, der ein Differentialantwortsignal unter Verwendung eines Pseudozufall-Abtasttaktjitters gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung abtastet;
9 ist ein Diagramm, das den relativen Einschwingfehler in einem Bereich von Werten für die Resonanzfrequenz des MEMS-basierenden Sensors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist ein Blockschaltbild, das eine Schaltung zeigt, die ein variables Taktsignal mit einem Pseudozufallsjitter gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzeugt;
11 ist ein Flussdiagramm, das ein Messverfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt;
12a und 12b zeigen ein Schaltbild und eine Auslegung einer MEMS-Kondensatoranordnung, die die verschiedenen Abmessungen und die Position zeigt;
13 ist ein Diagramm, das Ausgangswellenformen für ein Rechteckwellenanregungssignal zeigt, das eine MEMS-Kondensatorsensorenanordnung mit denselben Größen und Resonanzfrequenzen ansteuert;
14 ist ein Diagramm, das Ausgangswellenformen für ein Rechteckwellenanregungssignal zeigt, das die MEMS-Kondensatorsensorenanordnung mit anderen Größen und anderen Resonanzfrequenzen ansteuert;
15 ist ein Diagramm, das das Frequenzspektrum der Ausgangswellenform aus der MEMS-Kondensatorsensorenanordnung mit verschiedenen Größen und Resonanzfrequenzen zeigt;
16 ist ein Diagramm, das eine Einschwingamplitude für Ausgangswellenformen aus der MEMS-Kondensatorsensorenanordnung mit denselben Abmessungen und Resonanzfrequenzen und aus der MEMS-Kondensatorsensorenanordnung mit anderen Abmessungen und Resonanzfrequenzen zeigt;
17 zeigt ein Systemblockschalbild eines MEMS-Drucksensorsystems einer Ausführungsform;
18 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines MEMS-Drucksensorsystems einer weiteren Ausführungsform;
19a und 19b zeigen Wellenformdiagramme von beispielhaften Rauschsignalen, die in einem Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler (ADC) erzeugt werden;
20 zeigt ein Wellenformdiagramm von Rauschsignalen, die in einem Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler (ADC) ohne einen geditherten Takt und mit einem geditherten Takt erzeugt werden;
21a und 21b zeigen schematische Blockschaltbilder von Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlern (ADC) einer Ausführungsform; und
22 zeigt ein Blockschaltbild eines Betriebsverfahrens für einen Sensor gemäß einer Ausführungsform.
Entsprechende Ziffern und Symbole in verschiedenen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Teile, sofern dies nicht anders angegeben ist. Die Figuren wurden erstellt, um die relevanten Aspekte der bevorzugten Ausführungsformen klar darzustellen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Um bestimmte Ausführungsformen noch genauer darzustellen, kann ein Buchstabe hinter einer Figurenziffer Variationen derselben Struktur, desselben Materials oder Verfahrensschritts angeben.
Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
Die Herstellung und Verwendung der aktuell bevorzugten Ausführungsformen werden unten detailliert besprochen. Es gilt jedoch anzuerkennen, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfinderische Konzepte bereitstellt, die in einer großen Vielzahl von speziellen Kontexten ausgeführt werden können. Die besprochenen speziellen Ausführungsformen stellen spezielle Möglichkeiten zur Herstellung und Verwendung der Erfindung nur beispielhaft dar, und beschränken den Schutzumfang der Erfindung nicht.
Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen in einem speziellen Kontext, einem System und Verfahren zum Durchführen einer Messung eines kapazitiven Druckmesssystems beschrieben, das einen MEMS-basierten Sensor verwendet. Weitere Ausführungsformen können auf andere Sensorsysteme angewendet werden wie z.B. auf piezoresistive Sensorsysteme. Einige der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen umfassen kapazitive MEMS-Drucksensoren, Schnittstellenschaltungen, Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler (ADCs) für MEMS-Drucksensorschnittstellenschaltungen, Rauschen in Schnittstellenschaltungen und geditherten Taktgeber für Sigma-Delta-ADCs und Schnittstellenschaltungen. In anderen Ausführungsformen können Aspekte auch auf andere Anwendungen angewendet werden, die jegliche Arten von Druckwandlersystemen gemäß jeglicher auf dem Gebiet bekannter Art und Weise umfassen.
Ein kapazitiver MEMS-Druckwandler verwendet einen Druckunterschied zwischen zwei Bereichen, um eine variable Kapazitätsstruktur anzupassen, und um ein Ausgangssignal proportional zu dem Druckunterschied zu erzeugen. In einer speziellen Anwendung verwendet ein kapazitiver Differentialausgangs-MEMS-Druckwandler zwei variable Kapazitätsstrukturen, um ein Differentialausgangssignal zu erzeugen, das gemäß der gemessenen Drücke variiert. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Signalausgabe von dem Druckwandler ein analoges Signal. Das analoge Signal kann verstärkt und in ein digitales Signal umgewandelt werden.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein kapazitiver MEMS-Drucksensor durch Einführen eines periodischen Anregungssignals an einem ersten Anschluss des MEMS-Drucksensors und Überwachen eines Ausgangs des MEMS-Drucksensors an einem zweiten Anschluss des MEMS-Drucksensors betrieben. Eine Druckmessung wird dann durch Bestimmen der Amplitude des Signals an dem zweiten Anschluss des MEMS-Sensors durchgeführt. Ein Problem, das in solchen Systemen auftritt, ist eine unterdämpfte Antwort des MEMS-basierten Sensors aufgrund von mechanischen Resonanzen innerhalb des MEMS-basierten Sensors, was in manchen Fällen aufgrund des Einschwingcharakters des Ausgangssignals zu Messfehlern führen kann. In verschiedenen Ausführungsformen sind, wie hierin offenbart, Systeme und Verfahren zum Messen eines solchen unterdämpften Systems offenbart.
In einer ersten Ausführungsform wird die Steigung des Anregungssignals reduziert, um Fehler zu reduzieren, die von der unterdämpften Antwort des MEMS-Drucksensors auf das Anregungssignal verursacht wurden, um Oberwellen zu dämpfen, die die unterdämpfte Antwort des MEMS-Drucksensors stimulieren können. In manchen Ausführungsformen ist das Anregungssignal so konditioniert oder erzeugt, dass das Auftreten scharfer Flanken reduziert oder ausgeschlossen wird. In einer speziellen Ausführungsform wird die Steigungsreduktion durch Erzeugen einer integrierten Doppelsteigungs-Dreieckswellenform aus einem Rechteckwelleneingangssignal und durch erneutes Integrieren dieses Signals hergestellt, um eine periodische Wellenform mit einem glatten Übergang zwischen einem ersten Signalpegel und einem zweiten Signalpegel zu erzeugen. In manchen Ausführungsformen wird die Steigung des ersten Rechteckwellensignals durch eine Verzögerungsregelschleife gesteuert, um eine Flanke des steigungsreduzierten Anregungsimpulses mit einem eingehenden Taktsignal zu synchronisieren.
In einer zweiten Ausführungsform wird die Ausgabe des MEMS-basierten Sensors unter Verwendung eines geditherten Abtasttakts gemessen. Durch Dithern der Abtastzeit in Bezug auf die unterdämpfte Antwort des MEMS, kann eine Reihe von Messungen durchgeführt werden, in der die unterdämpfte Komponente der MEMS-Antwort ausgemittelt wird. Noch genauer wird eine Periode eines variablen Taktsignals in regelmäßigen Abständen verändert, die einer Schaltfrequenz entsprechen. Bei einem Schaltzeitpunkt nach einem jeden solchen regelmäßigen Abstand wird die Periode des variablen Taktsignals in Bezug auf eine Minimalperiode um ein Periodenanpassungsausmaß erhöht, das pseudozufällig bestimmt wird. Gleichermaßen wird die Frequenz des variablen Taktsignals um eine Frequenzverschiebung verringert, die dem Periodenanpassungsausmaß entspricht. Die Schaltfrequenz des variablen Taktsignals ist ausgelegt, nahe an der mechanischen Resonanzfrequenz eines MEMS-basierten Sensors zu liegen. Ein Abtasttaktsignal wird durch Teilen der Frequenz des variablen Taktsignals abgeleitet. Um das Resonanzeinschwingrauschen der MEMS-basierten Sensorausgabe zu verbreitern, wird dieses Ausgangssignal in pseudozufällig variierenden Abständen gemäß dem Abtasttaktsignal digital abgetastet. Mehrere digitale Abtastungen werden dann gefiltert und kombiniert, um das Breitbandeinschwingrauschen zu unterdrücken.
In einer dritten Ausführungsform wird der MEMS-Drucksensor unter Verwendung einer Anordnung oder MEMS-Drucksensoren implementiert, die verschiedene Abmessungen aufweisen, so dass jeder der MEMS-Drucksensoren bei unterschiedlichen Frequenzen in Resonanz ist. Wenn die MEMS-Drucksensoren somit durch das Anregungssignal stimuliert werden, kann die Amplitude des Einschwingens aufgrund dessen, dass die verschiedenen Resonanzantworten nicht phasengleich zueinander sind, zu verschiedenen Zeitpunkten reduziert werden. Durch Abtasten des Ausgangssignals des MEMS-Sensors kann eine genauere Messung vorgenommen werden, wenn die destruktive Interferenz der verschiedenen MEMS-Drücke die Amplitude der Einschwingantwort reduziert.
In einer vierten Ausführungsform wird ein überabgetasteter Analog-Digital-Wandler (ADC) verwendet, um die Ausgabe des MEMS-Sensors zu überwachen. Um Leerlauftöne in dem überabgetasteten ADC zu verringern, wird ein geditherter Takt verwendet, um den überabgetasteten ADC zu betreiben. In manchen Ausführungsformen kann das geditherte Taktsignal gemäß einer zweiten hierin offenbarten Ausführungsform erzeugt werden.
1 zeigt eine Druckmessvorrichtung 100 einer Ausführungsform, die einen Sensor 103 umfasst. Der Sensor 103 ist mit Ausgängen eines Anregungssignalgenerators 102 gekoppelt. Der Anregungssignalgenerator 102 erzeugt ein alternierendes Anregungssignal, das er an dem Sensor 103 bereitstellt, der ein analoges Messsignal erzeugt, das aus zwei Anregungsantwortsignalen besteht. Jedes dieser Anregungsantwortsignale wird durch Schwingungen einer Resonanz von Sensor 103 erzeugt, die z.B. eine mechanische Resonanz sein kann. In einer Ausführungsform weist der Sensor 103 eine unterdämpfte Antwort auf.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 umfasst der Sensor 103 eine Kapazitätsbrücke mit zwei Brückenabschnitten 105. Jeder Brückenabschnitt 105 umfasst jeweils einen druckempfindlichen Kondensator 111 in Serie mit einem Referenzkondensator 109, und eines der Antwortsignale des Sensors 103 wird an einem Mittelabgriff zwischen dem druckempfindlichen Kondensator 111 und dem Referenzkondensator 109 ausgegeben. Die Referenzkondensatoren 109 weisen eine Kapazität von C_r auf, die gegenüber Druck im Vergleich zu der Kapazität C_s der druckempfindlichen Kondensatoren 111 relativ stabil ist. In einer Ausführungsform werden die druckempfindlichen Kondensatoren 111 jeweils unter Verwendung eines oder mehrerer Hoch-Q-MEMS-Elemente, die in dem Sensor 103 enthalten sind, implementiert, und diese MEMS-Elemente weisen eine mechanische Resonanz mit einer Resonanzfrequenz f_r auf. In manchen Ausführungsformen werden die Referenzkondensatoren 109 unter Verwendung von Kondensatoren implementiert, die so ausgewählt wurden, dass sich C_r mit der Temperatur in einer bekannten Beziehung zu der temperaturabhängigen Veränderung von C_s ändert.
Ein Ausleseverstärker 104, der mit Ausgängen des Sensors 103 gekoppelt ist, verstärkt diese Sensorantwortsignale. Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) 106, der mit Ausgängen des Ausleseverstärkers 104 gekoppelt ist, tastet den Unterschied zwischen den verstärkten Sensorantwortsignalen ab, um digitale Abtastungen bereitzustellen. Ein Filter 108, der mit dem ADC 106 gekoppelt ist, kombiniert mehrere dieser digitalen Abtastungen über einen Zeitabstand, um eine einzelne Druckmessabtastung zu erzeugen. In manchen Ausführungsformen ist der Filter 108 ein Tiefpassfilter, der die digitalen Abtastungen mittelt. In anderen Ausführungsformen kombiniert der Filter 108 die digitalen Abtastungen unter Verwendung eines komplexeren Algorithmus, der z.B. Auswählen der Abtastung mit dem Mittelwert, Verwerfen von Ausreißerabtastungen vor dem Mitteln etc. umfasst.
In manchen Ausführungsformen ist jeder aus dem Anregungssignalgenerator 102, dem Sensor 103, dem Ausleseverstärker 104, dem ADC 106 und dem Filter 108 der Druckmessvorrichtung 100 in eine einzige integrierte Schaltung (IC) aufgenommen, und diese IC weist ein Volumen auf, das geringer ist als 10 mm³. In anderen Ausführungsformen können mehrere ICs in der Druckmessvorrichtung 100 aufgenommen sein.
2a–c zeigen eine beispielhafte Implementierung eines MEMS-Sensors, der verwendet werden kann, um in 1 dargestellten Sensor 103 zu implementieren. Wie dargestellt, ist der MEMS-Sensor in 2a in einer Brückenkonfiguration angeordnet, die feste Kondensatoren C_r und variable Kondensatoren C_s umfasst. In einer Ausführungsform werden variable Kondensatoren C_s jeweils unter Verwendung einer Anordnung von MEMS-Sensoren implementiert, während die festen Kondensatoren unter Verwendung einer Anordnung von festen Kondensatoren implementiert werden, die ausgelegt sind, eine Nennkapazität der Anordnung aus MEMS-Sensoren zu verfolgen.
2b zeigt eine beispielhafte Auslegung 210 einer Ausführungsform der MEMS-Kondensatorsensoranordnung 200. Wie dargestellt, umfasst die Auslegung feste Kapazitätszellen 212 und 218, die verwendet werden, um Kapazitäten C_r und MEMS-Sensorzellen 214 und 216, die druckempfindlich sind, zu implementieren. Wie dargestellt, kann die Auslegungs- 210 Konfiguration angeordnet sein, um eine Gradientenfehlanpassung zwischen allen vier Kondensatoren in der Brücke zu verhindern. In einer Ausführungsform können MEMS-Sensorzellen 214 unter Verwendung von auf dem Gebiet bekannten MEMS-Sensorstrukturen implementiert werden, während feste Kapazitätszellen unter Verwendung von MEMS-Sensorzellen implementiert werden können, deren Bewegung deaktiviert ist. Unter Verwendung einer ähnlichen physikalischen Struktur für beide MEMS-Sensorzellen, 214 und 216, und die festen Kapazitätszellen 212 und 218, kann eine gute Anpassung zwischen MEMS-Sensorzellen 214 und 216 und den festen Kapazitätszellen 212 und 218 über Verfahrens- und Temperaturvariationen erzielt werden. In manchen Ausführungsformen kann die Bewegung von festen Kapazitätszellen 212 und 218 verhindert werden, z.B. dadurch, dass ein Druckanschluss während des Verarbeitens der Halbleiterkomponente nicht geöffnet wird, oder durch Hinzufügen von mechanischen Bewegungsbarrieren innerhalb der MEMS-Struktur.
2c zeigt einen Querschnitt einer MEMS-Sensorzelle 220 zusammen mit einem beispielhaften NMOS- und PMOS-Transistor. Wie dargestellt, wird die MEMS-Sensorzelle mit einer Polysiliciummembran, die als eine obere Elektrode 222 wirkt, und einer feststehenden Gegenelektrode 224 ausgebildet, um die Sensorzelle auszubilden. Zwischen der oberen Elektrode und der feststehenden Gegenelektrode existiert ein Vakuumhohlraum 226. Die obere Elektrode 222 ist nicht bedeckt, um jegliche Anwendung von Druck und eine Veränderung des Kondensatorwerts zu ermöglichen. Es gilt anzuerkennen, dass Querschnitt 220 nur eines von vielen Beispielen für geeignete MEMS-Zellen ist, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
3 zeigt Wellenformen für ein Rechteckwellenanregungssignal 302 und ein Differentialantwortsignal 304 einer Ausführungsform. Das Rechteckwellenanregungssignal ist eine Ausführungsform eines alternierenden Anregungssignals, das durch den Anregungssignalgenerator 102 aus 1 erzeugt werden kann. In anderen Ausführungsformen kann jedes alternierende Anregungssignal verwendet werden, einschließlich z.B. eines Sinussignals, eines Dreiecksignals, eines zusammengesetzten Signals etc.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 stellt das Differentialantwortsignal 304 den Unterschied zwischen den Antwortsignalen an den Ausgängen des Sensors 103 aus 1 dar. Da das eine oder mehrere der MEMS-Elemente, aus denen die druckempfindlichen Kondensatoren 111 bestehen, Hoch-Q sind, ist die mechanische Resonanz dieser MEMS-Elemente unterdämpft, und die mechanischen Schwingungen klingen langsam ab. Bei verschiedenen Abtastzeiten t1, t2 und t3 wird deshalb ein Einschwingrauschen in das Differentialantwortsignal 304, verglichen mit dem idealen Antwortsignal 306 eines Sensors, der aus idealen Kondensatoren besteht, eingeführt.
Erste Ausführungsform
In der ersten Ausführungsform wird die Steigung der Anregung 302 reduziert, um ein Überstimulieren der Resonanzbedingung des MEMS-Sensors 103 zu vermeiden. 4 zeigt einen Vergleich zwischen einem Rechteckwellenanregungssignal 402 und einem wellenförmigen Anregungssignal 404, die verwendet werden, um den MEMS-Sensor an Eingangsanschluss Vex zu stimulieren. Wie dargestellt, stellt die Ausgangswellenform 406 ein hohes Amplitudenschwingen dar, bedingt durch ein Rechteckwelleneingangssignal 402, das eine steile Steigung an den steigenden und fallenden Flanken wegen der von dem Rechteckwellenanregungssignal 402 mit steilen steigenden und fallenden Flanken stimulierten Resonanzen aufweist. Die Ausgangswellenform 408 andererseits stellt die Antwort von dem wellenförmigen Anregungssignal 404 dar und weist aufgrund der glatten Flanken an dem fallenden und steigenden Abschnitt des Eingangs sowie an dem Übergangsbereich zum flachen Bereich nur sehr wenig Einschwingen auf. Die glatten Flanken an dem steigenden und fallenden Abschnitt des Anregungssignals 404 reduzieren den Effekt der Resonanzen aufgrund des Hoch-Q-Faktors der MEMS-Sensoren und -Kondensatoren und stellen eine glattere Ausgangswellenform 408 bereit.
In einer Ausführungsform wird die Steigung des Anregungssignals in der Zeitdomäne unter Verwendung von kaskadierten Integratoren zum Steuern des steigenden und fallenden Verhaltens des Anregungssignals gesteuert, während eine flache Ausgangsspannung zwischen Flankenübergängen aufrechterhalten wird. Dementsprechend erzeugt die erste Integration eine dreieckige Flanke, während die zweite Integration eine Flanke mit einer Form zweiter Ordnung oder einer Parabelform erzeugt. Die Ausgabe der zweiten Integration wird verwendet, um einen MEMS-Sensor 103, der in einer Brückenkonfiguration angeordnet ist, anzusteuern. Eine solche Form reduzierte die Amplitude der erzeugten Oberwellen in einer Ausführungsform und reduzierte das Einschwingen, das an dem Ausgang des MEMS-Sensors 103 beobachtet wurde. Es gilt zu verstehen, dass der kaskadierte Integratoransatz nur ein Beispiel von vielen möglichen Systemen und Verfahren von Ausführungsformen ist, die verwendet werden können, um die Steigung des Anregungssignals zu steuern. In manchen Ausführungsformen weist das Anregungssignal einen Zeitraum auf, in dem der Signalwert stabil ist und z.B. eine feste Referenzspannung aufweist. Dieser Zeitraum, in dem der Signalwert stabil ist, kann auch als ein „flacher Bereich“ bezeichnet werden. Innerhalb dieses Zeitraums, sind auch das Sensorausgangssignal und das Ausleseverstärkerausgangssignal stabil und können abgetastet werden, z.B. von in 1 dargestelltem ADC 106.
5 zeigt eine Ausführungsform eines Anregungsimpulserzeugungssystems 500, das eine Zeitsteuerschaltung 502, eine Ladungspumpe 504, einen ersten Integrationskondensator C1, einen zweiten Integrator und eine Wellenformschaltung 508, einen Schalter 510 zum Steuern eines zweiten Integratorausgangs, der mit C_Last zu koppeln ist, einen Komparator 512, einen Phasendetektor 514 und eine zweite Ladungspumpe 516 umfasst, die einen Schleifenfilterkondensator C2 ansteuert. Die Zeitsteuerschaltung 502 nimmt das Eingangsrechteckwellensignal oder den Takt von dem Impulsgenerator 501 an und erzeugt zwei Schaltsteuersignale zum Ansteuern der Ladungspumpe 504. Diese zwei Schaltsteuersignale aktivieren selektiv Schalter, die eine Ladungs- oder Entladungsstromquelle mit dem Integrationskondensator C1 verbinden. Das Rechteckwellentaktsignal wird an dem Integrationskondensator C1 integriert und eine integrierte dreieckige Wellenform wird erzeugt. Diese integrierte dreieckige Wellenform wird von dem Pufferverstärker 506 gepuffert. Die gepufferte dreieckige Wellenform wird weiter integriert, um eine Wellenform zu erzeugen, die bei der Resonanzfrequenz des MEMS-Kondensators einen sehr geringen Energiegehalt aufweist. Die zweite Integration glättet die scharfen Flanken, die in einer Rechteckwellenform vorhanden sind, und die Flanke der dreieckigen Wellenform. Es gilt zu verstehen, dass eine Rechteckwelle mit scharfen Flanken viele Hochfrequenzkomponenten enthält, die eine Resonanzantwort innerhalb des MEMS-Sensors 103 stimulieren können. Die Endpunkte der integrierten Wellenform werden gesteuert, um sicherzustellen, dass Flanken der Steigung des gesteuerten Ausgangssignals mit dem Eingangstaktsignal synchronisiert werden. Ein Schalter 510 ist konfiguriert, die Lastkapazität C_Last entweder mit dem Ausgang des Integrators und der Wellenformschaltung 508 oder der Versorgungsspannung VDD dieses Schaltungsblocks zu koppeln (die typischerweise eine temperaturstabile Referenzspannung mit geringem Rauschen ist). In manchen Ausführungsformen wird der Schalter 510 verwendet, um die Lastkapazität C_Last im Fall, dass das Ausgangssignal des zweiten Integrators und des Wellenformers 508 die Versorgungsspannung nicht erfüllt, mit der Versorgungsspannung VDD zu koppeln.
Wie in 5 dargestellt, wird das steigungsgesteuerte Anregungssignal durch Komparator 512 geleitet, um ein Signal zu bilden, das verwendet werden kann, um die Phasendifferenz zwischen Eingangstakt und dem Anregungssignal anzupassen. Die Phase des Signals an dem Ausgang des Komparators 512 wird über den Phasendetektor 514 mit der Phase des Eingangstaktsignals verglichen, der zwei Steuersignale erzeugt, um zwei Schalter in einer Ladungspumpenschaltung 516 zu aktivieren. Die Schalter verbinden eine Lade- und Entladungsstromquelle mit einem Schleifenfilterkondensator C2. Die Spannung an dem Kondensator C2 ist eine Angabe der Phasendifferenz zwischen dem Anregungssignal und dem Eingangstaktsignal. Der Schleifenfilterkondensator C2 transformiert eine momentane Phasendifferenz in eine analoge Spannung. Diese Spannung wird verwendet, um die Amplitude des Lade- und Entladungsstroms zu steuern, während eine integrierte dreieckige Wellenform erzeugt wird. In einer Ausführungsform kann das Anregungsimpulserzeugungssystem 500 in einer einzelnen integrierten Schaltung (IC) implementiert werden.
6 zeigt eine Ausführungsform eines digitalen Druckmesssystems 600, das eine Ausführungsform eines Anregungssignalgenerators 602, einen kapazitiven Drucksensor 604 (einschließlich eines Ausleseverstärkers 104), einen Temperatursensor 606, einen Multiplexer 608, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 610, eine Digitalsignalverarbeitung 612, einen digitalen Kern 614, eine digitale Schnittstelle 616, Spannungsregulatoren 618, eine Speicherschnittstelle 620, eine Einheit, die Kalibrationskoeffizienten 622 speichert, und FIFO (First In First Out) 624 umfasst. Der Anregungssignalgenerator 602 stellt das steigungsgesteuerte Anregungssignal an dem kapazitiven Drucksensor 604 gemäß oben beschriebenen Ausführungsformen bereit. Der Multiplexer 608 wählt eine Messung von dem Temperatursensor 606 oder dem Kondensatorsensor 604 aus und sendet diese für eine digitale Umwandlung der Messungen an eine ADC-Schaltung 610. Das ADC-Ausgangssignal wird dann zum weiteren Filtern und mathematische Berechnungen durch eine Digitalsignalverarbeitungseinheit 612 gesendet. Der digitale Kern 614 und die digitale Schnittstelle 616 sind Teil des internen Prozessors, der die Temperatur- und Druckmessungen in 24 Bits eines digitalen Worts umwandelt. Der Kalibrationskoeffizient 622 speichert kalibrierte Werte für jeden einzelnen Drucksensor, die für die Messkorrektur zu verwenden sind. Der FIFO 624 speichert mehrere Temperatur- und Druckmessungen im Niedrigleistungsmodus. Die Speicherschnittstelle 620 stellt diese Werte an dem digitalen Kern 614 bereit. Die Ausführungsform umfasst ebenfalls einen internen Spannungsregler, um interne Schaltungen mit Leistung zu versorgen.
In einer Ausführungsform kann das digitale Druckmesssystem 600 unter Verwendung einer einzigen integrierten Schaltung und/oder einer Kombination aus integrierten Schaltungen und/oder diskreten Komponenten implementiert werden. Es gilt anzuerkennen, dass System 600 nur eines aus vielen beispielhaften Systemen ist, in denen eine Ausführungsform eines Anregungssignalgenerators implementiert werden kann.
7 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens 700 zum Steuern der Steigung eines MEMS-Kondensators. In Schritt 702 wird eine erste Integration auf einem ersten Eingangssignal durchgeführt. In einer Ausführungsform ist das erste Eingangssignal ein Rechteckwellensignal. Danach wird in Schritt 704 eine zweite Integration auf dem ersten Integrationsausgangssignal durchgeführt. In einer Ausführungsform ist das erste Integrationsausgangssignal eine dreieckige Wellenform und die zweite Integration wird zum Formen der Welle durchgeführt. Wenn das Ausgangssignal die Referenzspannung (Vdd) erreicht hat oder ein bestimmter Zeitraum vorüber ist, wird das Ausgangssignal konstant gehalten (schlussendlich wird das Ausgangssignal auf Vdd geschaltet), bis in manchen Ausführungsformen ein Vorgang mit fallender Flanke ausgelöst wird. Danach wird das Ausgangssignal der zweiten Integration in Schritt 706 verwendet, um eine MEMS-Kondensatorbrücke anzusteuern, wobei die Brücke zwei Abschnitte aufweist und jeder Abschnitt aus einem druckempfindlichen Kondensator und einem Referenzkondensator besteht. Danach wird in Schritt 708 die Phase des Eingangssignals und das Ausgangssignal der zweiten Integration synchronisiert. In einer Ausführungsform wird ein Phasendetektor verwendet, um die Phasen zu synchronisieren. Danach wird in Schritt 710 ein Ausleseverstärker, der mit dem gemeinsamen Punkt des druckempfindlichen Kondensators und dem Referenzkondensator verbunden ist, verwendet, um momentane Kondensatorveränderungen zu messen. Schließlich wird in Schritt 712 eine A/D-Wandlung auf dem Ausgang des Ausleseverstärkers durchgeführt, um den Druck zu berechnen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können Schaltungen oder Systeme konfiguriert sein, bestimmte Vorgänge oder Aktionen mittels Hardware, Software, Firmware oder einer Kombination davon, die auf dem System installiert sind, durchzuführen, die im Betrieb verursachen oder verursachen, dass das System die Aktionen durchführt. Ein allgemeiner Aspekt umfasst ein Verfahren zum Durchführen einer Messung mit einem kapazitiven Sensor, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erzeugen eines periodischen Anregungssignals, wobei das periodische Anregungssignal eine Reihe von Impulsen umfasst; Glätten der Flankenübergänge der Reihe von Impulsen, um ein geformtes periodisches Anregungssignal zu bilden; Bereitstellen des geformten periodischen Anregungssignals an einem ersten Anschluss des kapazitiven Sensors; und Messen eines Signals, das von einem zweiten Anschluss des kapazitiven Sensors bereitgestellt wurde. Andere Ausführungsformen dieses Aspekts umfassen entsprechende Schaltungen und Systeme, die konfiguriert sind, die verschiedenen Aktionen der Verfahren durchzuführen.
Implementierungen können ein oder mehrere der folgenden Elemente umfassen. Das Verfahren kann ferner Bestimmen einer Ausgangsmessung basierend auf dem gemessenen Signal umfassen. Das Verfahren, wobei die bestimmte Ausgangsmessung eine Druckmessung umfasst. Das Verfahren, wobei das Glätten von Flankenübergängen Erzeugen eines ersten Steigungssignals basierend auf dem erzeugten periodischen Anregungssignal umfasst, um ein Anregungssignal mit Steigung zu bilden. Das Verfahren, wobei das Glätten von Flankenübergängen ferner Integrieren des Signals mit Steigung zum Bilden des geformten periodischen Anregungssignals umfasst. Das Verfahren, welches ferner Anpassen einer Steigung des ersten Signals mit Steigung basierend auf einer Zeitdifferenz zwischen der geformten periodischen Anregung und dem periodischen Anregungssignal umfasst. Das Verfahren, wobei Erzeugen des ersten Signals mit Steigung Laden eines Kondensators mit einer ersten Stromquelle und Entladen des Kondensators mit einer zweiten Stromquelle umfasst. Das Verfahren, das ferner Anpassen einer Steigung des ersten Signals mit Steigung basierend auf einer Zeitdifferenz zwischen der geformten periodischen Anregung und dem periodischen Anregungssignal umfasst, wobei das Anpassen der Steigung Anpassen eines Stroms der ersten Stromquelle und der zweiten Stromquelle umfasst. Das Verfahren, das ferner Bestimmen der Zeitdifferenz zwischen dem geformten periodischen Anregungssignal und dem periodischen Anregungssignal umfasst. Das Verfahren, wobei Bestimmen der Zeitdifferenz die Verwendung eines Phasendetektors umfasst. Das Verfahren, wobei der kapazitive Sensor einen MEMS-Sensor umfasst. Das Verfahren, wobei der MEMS-Sensor eine Sensorbrücke, die einen ersten Zweig mit einem ersten MEMS-Drucksensor und einem ersten Kondensator und einen zweiten Zweig mit einem zweiten MEMS-Drucksensor und einem zweiten Kondensator aufweist, umfasst. Implementierungen der beschriebenen Verfahren können Hardware, ein Verfahren oder einen Vorgang oder Computersoftware auf einem computerzugreifbaren Medium umfassen.
Ein weiterer allgemeiner Aspekt umfasst ein System, das Folgendes umfasst: einen Anregungsgenerator, der konfiguriert ist, mit einem ersten Anschluss eines kapazitiven Sensors gekoppelt zu sein, wobei der Anregungsgenerator einen Impulsgenerator umfasst, und eine Pulsglättungsschaltung, die mit einem Ausgang des Impulsgenerators gekoppelt ist, wobei ein Ausgang der Pulsglättungsschaltung konfiguriert ist, mit dem ersten Anschluss des kapazitiven Sensors gekoppelt zu sein. Andere Ausführungsformen dieses Aspekts umfassen entsprechende Schaltungen und Systeme, die konfiguriert sind, die verschiedenen Aktionen der Verfahren durchzuführen.
Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen. Das System, das ferner eine Ausleseschaltung umfasst, die konfiguriert ist, mit dem zweiten Anschluss des kapazitiven Sensors gekoppelt zu sein. Das System, wobei die Ausleseschaltung einen A/D-Wandler umfasst, der konfiguriert ist, mit dem zweiten Anschluss des kapazitiven Sensors gekoppelt zu sein. Das System, wobei die Ausleseschaltung konfiguriert ist, eine Antwort des kapazitiven Sensors basierend auf einem Signal zu bestimmen, das von dem zweiten Anschluss des kapazitiven Sensors ausgeht. Das System, das ferner den kapazitiven Sensor umfasst. Das System, wobei der kapazitive Sensor einen MEMS-Sensor umfasst. Das System, wobei der MEMS-Sensor eine erste Sensorbrücke, die ersten Zweig mit einem ersten MEMS-Drucksensor und einem ersten Kondensator und einen zweiten Zweig mit einem zweiten MEMS-Drucksensor und einem zweiten Kondensator aufweist, umfasst. Das System, wobei die Pulsglättungsschaltung einen Rampengenerator mit einem Eingang umfasst, der mit dem Ausgang des Impulsgenerators gekoppelt ist. Das System, wobei der Rampengenerator eine erste Stromquelle und eine zweite Stromquelle umfasst, die mit einem ersten Kondensator gekoppelt sind. Das System, wobei die Pulsglättungsschaltung ferner einen Integrator umfasst, der mit einem Ausgang des Rampengenerators gekoppelt ist, wobei ein Ausgang des Integrators mit dem Ausgang der Pulsglättungsschaltung gekoppelt ist. Das System, das ferner einen Phasendetektor mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang des Impulsgenerators gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang umfasst, der mit dem Ausgang des Integrators gekoppelt ist, wobei ein Ausgang des Phasendetektors konfiguriert ist, eine Steigung eines Signals an dem Ausgang des Rampengenerators zu steuern. Das System, das ferner eine Ladungspumpe, die mit einem Ausgang des Phasendetektors gekoppelt ist, und einen zweiten Kondensator umfasst, der mit einem Ausgang der Ladungspumpe gekoppelt ist. Das System, wobei die Steigung des Signals an dem Ausgang des Rampengenerators auf einer Spannung an dem zweiten Kondensator basiert. Das System, wobei der Anregungsgenerator auf einer integrierten Schaltung angeordnet ist. Das System, wobei der kapazitive Sensor ferner auf der integrierten Schaltung angeordnet ist. Das System, wobei die Pulsglättungsschaltung ferner Folgendes umfasst: einen ersten Integrator, der mit dem Ausgang des Impulsgenerators gekoppelt ist; und einen zweiten Integrator, der mit einem Ausgang des ersten Integrators gekoppelt ist, wobei ein Ausgang des zweiten Integrators mit einem Ausgang der Pulsglättungsschaltung gekoppelt ist. Das System, das ferner einen Phasendetektor mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang des Impulsgenerators gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang umfasst, der mit dem Ausgang des Integrators gekoppelt ist, wobei ein Ausgang des Phasendetektors konfiguriert ist, eine Steigung des ersten Integrators zu steuern. Das System, wobei der erste Integrator eine Vielzahl von Stromquellen umfasst, die mit einem integrierenden Kondensator gekoppelt sind, und wobei das Steuern der Steigung des ersten Integrators ein Anpassen eines Stroms aus der Vielzahl von Stromquellen basierend auf dem Ausgang des Phasendetektors umfasst. Implementierungen der beschriebenen Verfahren können Hardware, ein Verfahren oder einen Vorgang oder Computersoftware auf einem computerzugreifbaren Medium umfassen.
Ein Vorteil einiger der Implementierungen der ersten Ausführungsform umfasst die Möglichkeit, den Effekt des Einschwingens zu reduzieren, wenn der kapazitive MEMS über ein Anregungssignal aktiviert wird. Das Ausmaß des Einschwingens ist eine Funktion der Anregungssignalwellenform und der Resonanzfrequenz des MEMS-Kondensators.
Zweite Ausführungsform
In der zweiten Ausführungsform variiert der ADC 106 sein internes Abtasttaktsignal mit einem Pseudozufallsjitter, um den Effekt des Einschwingrauschens abzuschwächen. Dieser Pseudozufallsjitter wird bereitgestellt, indem die Zeiteinstellung der steigenden und/oder fallenden Flanke des Abtasttaktes, von welcher der ADC 106 seine Zeitreferenz ableitet, variiert wird. Dementsprechend wird der systematische Einschwingfehler der Ausgangssignale des Sensors 103 in ein breitbandiges Signal umgewandelt, das der Filter 108 unterdrücken kann, indem er zum Beispiel viele digitale Abtastungen mittelt, um jede kombinierte Messabtastung zu bilden.
8 stellt einen beispielhaften ADC 800 dar, der als der ADC 106 von 1 verwendet werden kann, um ein Taktsignal zu erzeugen, das einen Pseudozufallsjitter aufweist. Der ADC 800 umfasst einen variablen Taktgenerator 804, einen Frequenzteiler 806 und eine Abtasteinheit 808.
Der variable Taktgenerator 804 erzeugt ein variables Taktsignal, das einen Pseudozufallsjitter aufweist. Der variable Taktgenerator 804 inkludiert diesen Pseudozufallsjitter in das variable Taktsignal, indem er die Länge der Periode T_per des variablen Taktsignals umschaltet. T_per ist gleich einer minimalen Periode T_{per_min}, die um eine Periodenanpassung ΔT_per erhöht ist, die jeden Taktzyklus von T_per umgeschaltet wird. Die Abtasteinheit 808 empfängt eine geringere Taktfrequenz über den Taktfrequenzteiler 806. In der Ausführungsform von 8 ist die Taktfrequenz zum Beispiel eine ganze Zahl, die N mal niedriger ist, sodass der effektive Abtasttakt einen Taktjitter von einer Dauer T_sw aufweist, die gleich N mal ΔT_per ist. In einer Ausführungsform wird T_sw so gewählt, dass sie das MEMS-Signal mit dem Resonanzverhalten zu Zeitpunkten zufallsabtastet, die über zumindest eine Periode 1/f_res verteilt sind, wobei f_res die Resonanzfrequenz des MEMS-Sensors ist und die Resonanzperiode T_res der Kehrwert von f_res ist. Als ein Beispiel wird ΔT_per in einer Situation, in der f_res = 5 MHz, T_res = 200 ns und N = 8 ist, auf weniger als 200 ns (vorzugsweise weniger als 200 ns/4) aber immer noch hoch genug festgelegt, sodass T_sw größer als 200 ns ist. In alternativen Ausführungsformen kann der Taktfrequenzteiler 806 eine andere Teilungsrate aufweisen, und/oder der MEMS-Sensor kann eine unterschiedliche Resonanzfrequenz aufweisen.
Der variable Taktgenerator 804 wird von einer Taktsteuerung 802 in einer Rückkopplungsschleife gesteuert, um die mittlere Periode T_{per_avg} des variablen Taktsignals zu stabilisieren. Der Taktsteuerung 802 wird von einem Referenzoszillator 803, der ein schwingender Kristall oder eine beliebige andere Form eines stabilen elektronischen Oszillators sein kann, ein Referenzoszillatorsignal bereitgestellt. In einer Ausführungsform kann die Taktsteuerung 802 eine Phasenregelschleife umfassen. In einer Ausführungsform kann die Taktsteuerung 802 dem variablen Taktgenerator 804 ein Taktsignal mit einer Periode bereitstellen, die sich von der Periode von T_{per_min} unterscheidet, welches dann vom variablen Taktgenerator 804 frequenzskaliert wird. Der variable Taktgenerator 804 stellt der Taktsteuerung 802 ein Takt-Rückkopplungssignal bereit.
Der Frequenzteiler 806 ist mit einem Ausgang des variablen Taktgenerators 804 gekoppelt und erzeugt ein Abtasttaktsignal mit einer Abtastperiode T_sam, die N mal die Periode T_per ist. Das Abtasttaktsignal umfasst daher auch einen Pseudozufallsjitter.
Ein Eingang der Abtasteinheit 808 ist mit dem Ausgang des Frequenzteilers 806 gekoppelt, um das Abtasttaktsignal zu empfangen. Die Abtasteinheit 808 weist auch Eingänge auf, welche die beiden verstärkten Sensorantwortsignale empfangen, die vom Ausleseverstärker 104 aus 1 ausgegeben werden. Die Abtasteinheit 808 erzeugt Abtastungen, indem sie eine Differenz zwischen diesen Sensorantwortsignalen abtastet, und dieses Abtasten wird alle T_sam Sekunden durchgeführt. Diese Abtastungen sind in einer oder mehreren aufeinanderfolgenden Stufen des ADC (nicht gezeigt) quantisiert. In einer Ausführungsform ist der ADC ein Sigma-Delta-Wandler, und die Quantisierungsstufe(n) umfasst/umfassen ebenfalls einen zusätzlichen Schleifenfilter, der das Ausgangssignal der Abtasteinheit filtert.
9 zeigt einen Graphen, der den relativen Einschwingfehler an einem Ausgang des Filters 108 aus 1 darstellt. Der maximale Periodenversatz des Abtasttaktes ist 150 Nanosekunden, 16.384 digitale Abtastungen werden gemittelt, um jede Messabtastung zu bilden, und die Schaltfrequenz f_sw ist 5120 kHz. Der Einschwingfehler wird relativ zu einem resonanzfreien Antwortsignal eines Sensors berechnet, der aus idealen Kondensatoren gebildet wird. Dieser relative Einschwingfehler ist minimal, wenn die Resonanzfrequenz gleich der Schaltfrequenz ist, und steigt, wenn die Resonanzfrequenz in jede Richtung weg von der Schaltfrequenz variiert wird.
10 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines variablen Taktgenerators 804. Der variable Taktgenerator 804 umfasst einen Zähler 1002, einen Demultiplexer 1004, ein LFSR 1006 und einen Oszillator 1008.
Der Zähler 1002 weist einen Zählerrücksetzungseingang auf, der ein Taktsteuersignal von der Taktsteuerung 802 empfängt. In der beispielhaften Ausführungsform von 10 ist die Frequenz dieses Taktsteuersignals 160 kHz. Der Zähler 1002 weist auch einen Zählertakteingang auf, der mit einem Ausgang des Oszillators 1008 gekoppelt ist, um ein variables Taktsignal zu empfangen. In der Ausführungsform von 10 ist der Zähler 1002 ein 3-Bit-Zähler, der ein Zählersignal erzeugt, das einen Zählwert repräsentiert, der synchron mit dem variablen Taktsignal, das vom Oszillator 1008 empfangen wird, von 0 bis 7 erhöht wird, und der Zählwert wird durch eine steigende Flanke auf dem Zählerrücksetzungseingang auf 0 zurückgesetzt. Das bedeutendste Bit des Zählersignals wird der Taktsteuerung 802 als das Rückkopplungssteuersignal bereitgestellt. Dieses Rückkopplungssteuersignal ist ein Achtel der Frequenz des variablen Taktsignals.
Der Demultiplexer 1004 weist auch einen Eingang auf, der mit dem Ausgang des Zählers 1002 gekoppelt ist, um das Zählersignal zu empfangen. Der Demultiplexer 1004 schaltet auf Basis des Zählwertes ein binäres LFSR-Aktivierungssignal ein oder aus. Der Demultiplexer 1004 schaltet auch einen ersten Binäreingang zu einem UND-Gatter 1010 auf Basis des Wertes des Zählersignals ein oder aus.
In der beispielhaften Ausführungsform von 10 schaltet der Demultiplexer das LFSR-Aktivierungssignal ein, wenn der Zählwert 0 oder 1 ist, und ansonsten schaltet der Demultiplexer 1004 das LFSR-Aktivierungssignal aus. Wenn der Zählwert 3 oder 4 ist, schaltet der Demultiplexer den ersten Eingang zu dem UND-Gatter 1010 ein, und ansonsten schaltet der Demultiplexer 1004 das UND-Gatter 1010 aus. Da der Zählwert jeden der acht möglichen Werte annehmen kann, ist das LFSR-Aktivierungssignal daher nur während des ersten Viertels der variablen Taktperiode des Oszillators 1008 eingeschaltet, und der erste Eingang zu dem UND-Gatter 1010 ist nur während des nächsten Viertels der Oszillatortaktperiode eingeschaltet.
Das LFSR 1006 umfasst einen Aktivierungseingang, der das LFSR-Aktivierungssignal von dem Demultiplexer 1004 empfängt. Das LFSR 1006 weist auch einen Rücksetzungseingang auf, der das Taktsteuersignal von der Taktsteuerung 802 als ein LFSR-Rücksetzungssignal empfängt. Das LFSR 1006 umfasst auch einen Takteingang, der das variable Taktsignal empfängt, das von dem Oszillator 1008 ausgegeben wird. Auf Basis des LFSR-Aktivierungssignals und des LFSR-Rücksetzungssignals erzeugt das LFSR 1006 eine Pseudozufallssequenz, die mit dem variablen Taktsignal synchron ist. In einigen Ausführungsformen ist das LFSR 1006 ein Fibonacci-LFSR. In anderen Ausführungsformen ist das LFSR 1006 ein Galois-LFSR. In noch anderen Ausführungsformen kann ein beliebiger Pseudozufallssequenzgenerator, der auf dem Gebiet der Technik bekannt ist, einschließlich eines nicht-linear rückgekoppelten Schieberegisters anstelle des LFSR 1006 verwendet werden.
In der Ausführungsform von 10 ist das LFSR 1006 ein 17-Bit-LFSR, das ein LFSR-Zustandssignal ausgibt, das einen binären Zwei-Bit-Zustand des LFSR 1006 widergibt. Das LFSR 1006 stellt dieses LFSR-Zustandssignal bitweise einem zweiten Binäreingang des UND-Gatters 1010 bereit. Auf Basis dieses LFSR-Zustandssignals und des Signals an dem ersten Eingang des UND-Gatters 1010 erzeugt das UND-Gatter 1010 ein Frequenzauswahlsignal, das ebenfalls eine binäre Zwei-Bit-Sequenz ist.
Der Taktgenerator 804 umfasst auch ein D-Flipflop 1012, das dieses Frequenzauswahlsignal vom UND-Gatter 1010 empfängt und auch das variable Taktsignal empfängt, das vom Oszillator 1008 ausgegeben wird. Das D-Flipflop 1012 weist auch einen Ausgang auf, der mit einem Eingang des Oszillators 1008 gekoppelt ist, und das D-Flipflop 1012 stellt dem Oszillator 1008 das Frequenzauswahlsignal bitweise synchron mit dem variablen Taktsignal bereit.
Der Oszillator 1008 erzeugt das variable Taktsignal, das der Oszillator 1008 auf Basis des Frequenzauswahlsignals variiert, das vom D-Flipflop 1012 bereitgestellt wird. Der Oszillator 1008 weist eine Schwingfrequenz f_osc auf, deren Maximum der Kehrwert von (der in 8 gezeigten) T_{per_min} ist. Auf Basis des binären Zwei-Bit-Wertes des Frequenzauswahlsignals, das vom Oszillator alle zwei Perioden des variablen Taktsignals empfangen wird (d. h. alle zwei Schwingungen), hält der Oszillator 1008 entweder seine Schwingfrequenz f_osc auf ihrem vorhergehenden Wert oder reduziert seine Schwingfrequenz um einen Frequenzversatz. Das Verringern der Frequenz des Oszillators 1008 um diesen Frequenzversatz entspricht dem Zufügen einer Periodenanpassung ΔT_per zu T_{per_min}, um die Periode T_per des variablen Taktsignals zu erhalten.
In der Ausführungsform von 10 ändert der Oszillator 1008 seinen Frequenzversatz zu jedem Schaltzeitpunkt um einen Wert, der ein Kehrwert von 50 Nanosekunden ist, und der Gesamtfrequenzversatz ist zu jedem Zeitpunkt der Kehrwert eines ΔT_per von entweder 0, 50, 100 oder 150 Nanosekunden. Die maximale Frequenz f_osc des Oszillators ist gleich 1280 kHz, was einer minimalen Periode des variablen Taktsignals von 781,25 Nanosekunden entspricht.
In einem Beispiel ist die Frequenz des variablen Taktgenerators 804 achtmal die Frequenz des Abtasttaktes (d. h. N = 8), und daher wird vier Mal während jeder Periode T_sam des Abtasttaktes ein Frequenzversatz bestimmt. In diesem Fall kann der Oszillator 1008 seinen Frequenzversatz von seinem vorhergehenden Wert zu jedem der vier Schaltzeitpunkte während jeder Periode T_sam des Abtasttaktsignals ändern. In diesem Beispiel ist das Minimum der Abtasttaktperiode T_sam achtmal die minimale Periode des variablen Taktsignals von 781,25 Nanosekunden, was 6250 Nanosekunden ergibt. Die minimale Dauer von T_sam entspricht in diesem Beispiel einer maximalen Abtasttaktfrequenz von 160 kHz. Wenn ein Frequenzversatz zur Anwendung kommt, der einem maximalen ΔT_per von 150 Nanosekunden entspricht, weist der Oszillator eine maximale Periode T_per von 931,25 Nanosekunden auf. Da das Maximum von T_sam achtmal diese maximale T_per, oder 7450 Nanosekunden, ist, entspricht dies in diesem Beispiel einer maximalen Abtasttaktfrequenz von 134,2 kHz. Der Erwartungswert von ΔT_per, der über ein langes Zeitintervall angewendet wird, ist 75 Nanosekunden. Dieser Erwartungswert wird bestimmt, indem 0, 50, 100 und 150 Nanosekunden gemittelt werden, welche die pseudozufallsausgewählten Werte von ΔT_per sind. Der Erwartungswert von T_per ist daher 856,25 Nanosekunden, was in diesem Beispiel einer mittleren Abtasttaktperiode T_sam von 6850 Nanosekunden und einer mittleren Abtastfrequenz von 146,0 kHz entspricht.
11 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Messverfahrens veranschaulicht. Das Verfahren beginnt bei Schritt 1102. Bei Schritt 1104 erzeugt der Sensor 103 Antwortsignale als Antwort auf ein Anregungssignal. Bei Schritt 1106 wird ein Zählersignal synchron mit einem variablen Taktsignal erhöht. Bei Schritt 1108 wird ein LFSR-Aktivierungssignal gemäß Zählwerten des Zählersignals bestimmt. Bei Schritt 1110 wird ein m-Bit-LFSR-Zustandssignal synchron mit dem variablen Taktsignal gemäß dem LFSR-Aktivierungssignal und einem Taktsteuersignal bestimmt. Bei Schritt 1112 wird ein Frequenzauswahlsignal gemäß dem LFSR-Zustandssignal und einem Zählwert des Zählersignals bestimmt.
Bei Schritt 1114 wird eine Flussentscheidung auf Basis dessen getroffen, ob ein neuer Frequenzversatz, der sich vom vorhergehenden Frequenzversatz unterscheidet, vom Frequenzauswahlsignal gewählt wurde. Wenn ein neuer Frequenzversatz gewählt wurde, wird der Fluss bei Schritt 1118 fortgesetzt, wo die Frequenz des variablen Taktsignals gemäß dem ausgewählten Frequenzversatz umgeschaltet wird. Andernfalls wird der Fluss bei Schritt 1116 fortgesetzt, wo die letzte Frequenz des variablen Taktsignals beibehalten wird. Der Fluss wird dann in jedem Fall bei Schritt 1120 fortgesetzt, wo die Frequenz des variablen Taktsignals um einen Faktor N herunterskaliert wird, um ein Abtasttaktsignal zu erhalten. Bei Schritt 1122 werden die vom Sensor 103 erzeugten Antwortsignale gemäß dem Abtasttaktsignal abgetastet.
Bei Schritt 1124 wird eine Flussentscheidung auf Basis dessen getroffen, ob genügend Abtastungen erfasst wurden, um eine Mittelungsoperation durchzuführen. Diese erforderliche Anzahl von Abtastungen kann zum Beispiel auf einer Auslegungseinstellung basieren. Wenn nicht genug Abtastungen erfasst wurden, wird der Fluss bei Schritt 1125 fortgesetzt, wo eine weitere Flussentscheidung auf Basis dessen getroffen wird, ob das Taststeuersignal eine steigende Flanke aufweist. Wenn keine steigende Flanke detektiert wird, wird der Fluss bei Schritt 1106 fortgesetzt.
Wenn bei Schritt 1125 eine steigende Flanke detektiert wird, wird der Fluss bei Schritt 1127 fortgesetzt, wo der Zähler auf 0 zurückgesetzt wird. Der Fluss wird dann bei Schritt 1108 fortgesetzt.
Wenn bei Schritt 1124 genügend Abtastungen zum Mitteln erfasst wurden, wird der Fluss bei Schritt 1126 fortgesetzt, wo diese Abtastungen gemeinsam gemittelt werden, um eine kombinierte Druckmessungsabtastung zu erhalten. Das Verfahren endet dann bei Schritt 1128.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können Schaltungen oder Systeme konfiguriert sein, um bestimmte Operationen oder Aktionen aufgrund dessen durchzuführen, dass Hardware, Software, Firmware oder eine Kombination von diesen auf dem System installiert ist, die während des Betriebs bewirkt, dass das System die Aktionen durchführt. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Messverfahren bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Erzeugen eines Antwortsignals als Antwort auf ein Anregungssignal durch einen Sensor. Das Verfahren umfasst auch das Erzeugen eines Abtasttaktsignals gemäß einem Pseudozufallsjitter und das Abtasten des Antwortsignals gemäß dem Abtasttaktsignal, um eine Vielzahl digitaler Abtastungen zu bestimmen. Das Verfahren umfasst auch das Kombinieren der Vielzahl digitaler Abtastungen, um eine Messabtastung zu bilden.
Ebenso kann die vorangehende, beispielhafte Ausführungsform eines Messverfahrens implementiert sein, um eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Merkmale zu umfassen. Das Verfahren kann auch implementiert sein, sodass das Erzeugen des Abtasttaktsignals das Erzeugen eines variablen Taktsignals mit einer variablen Taktfrequenz umfasst, die gemäß einer Schaltfrequenz umgeschaltet wird. In dieser Implementierung ist eine Periode des Abtasttaktsignals ein ganzzahliges Vielfaches einer Periode des variablen Taktsignals.
Das Verfahren kann auch implementiert sein, sodass der Sensor eine unterkritisch gedämpfte Antwort aufweist. In dieser Implementierung ist die Schaltfrequenz nicht weniger als 0,9-mal eine mechanische Resonanzfrequenz des Sensors, und die Schaltfrequenz ist nicht größer als 1,1-mal die mechanische Resonanzfrequenz des Sensors. Das Verfahren kann auch implementiert sein, sodass das Erzeugen des variablen Taktsignals das Erzeugen eines LFSR-Zustandssignals mit einem linear rückgekoppelten Schieberegister (LFSR) gemäß dem variablen Taktsignal und einem Referenzoszillatorsignal umfasst.
Das Verfahren kann auch implementiert sein, sodass das Erzeugen des variablen Taktsignal ferner das Erzeugen eines Zählersignals gemäß dem variablen Taktsignal und dem Referenzoszillatorsignal und das Erzeugen eines LFSR-Aktivierungssignals gemäß dem Zählersignal umfasst. In dieser Implementierung umfasst das Verfahren auch das Erzeugen eines Frequenzauswahlsignals gemäß dem LFSR-Zustandssignal und dem Zählersignal. Das Erzeugen des LFSR-Zustandssignals ist ferner gemäß dem LFSR-Aktivierungssignal, und das Erzeugen des variablen Taktsignals ist ferner gemäß dem Frequenzauswahlsignal.
Das Verfahren kann auch implementiert sein, sodass das Anregungssignal eine Rechteckwelle umfasst, und der Sensor ein Mikromechanisches System(MEMS)-Element umfasst. Das MEMS-Element kann einen ersten druckempfindlichen Kondensator umfassen.
Das Verfahren kann auch implementiert sein, sodass der Sensor ferner eine Kapazitätsbrücke umfasst, und die Kapazitätsbrücke ein Paar von Brückenabschnitten umfasst, die jeder jeweils einen druckempfindlichen Kondensator und einen Referenzkondensator aufweisen, die an einem Ausgangsknoten miteinander gekoppelt sind. In dieser Implementierung variiert eine Kapazität des druckempfindlichen Kondensators stärker mit dem Druck als eine Kapazität des Referenzkondensators, und ein Antwortsignal umfasst Ausgangssignale des Paares von Brückenabschnitten. Das Verfahren kann auch implementiert sein, sodass die Kapazität des Referenzkondensators relativ zu einer Änderung der Kapazität des druckempfindlichen Kondensators mit der Temperatur nach einer bekannten Beziehung mit der Temperatur ändert. Das Verfahren kann auch implementiert sein, sodass das Kombinieren der Vielzahl digitaler Abtastungen zumindest eines aus dem Mitteln erster digitaler Abtastungen der Vielzahl digitaler Abtastungen oder dem Berechnen eines Medianwertes der ersten digitalen Abtastungen umfasst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Messschaltung bereitgestellt. Die Messschaltung umfasst einen Sensor. Die Messschaltung ist konfiguriert, um ein Antwortsignal als Antwort auf ein Anregungssignal zu erzeugen. Die Messschaltung ist auch konfiguriert, um ein Abtasttaktsignal gemäß einem Pseudozufallsjitter zu erzeugen und das Antwortsignal gemäß dem Abtasttaktsignal abzutasten, um eine Vielzahl digitaler Abtastungen zu bestimmen. Die Messschaltung ist auch konfiguriert, um die Vielzahl digitaler Abtastungen zu kombinieren, um eine Messabtastung zu bilden.
Ebenso kann die vorangehende, beispielhafte Ausführungsform einer Messschaltung implementiert sein, um eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Merkmale umfassen. Die Messschaltung kann ferner auch konfiguriert sein, um ein variables Taktsignal mit einer variablen Taktfrequenz zu erzeugen, die gemäß einer Schaltfrequenz umgeschaltet wird. In dieser Implementierung ist eine Periode des Abtasttaktsignals ein ganzzahliges Vielfaches einer Periode des variablen Taktsignals. Die Messschaltung kann auch konfiguriert sein, sodass der Sensor eine unterkritisch gedämpfte Antwort aufweist. In dieser Implementierung ist die Schaltfrequenz nicht weniger als 0,9-mal eine mechanische Resonanzfrequenz des Sensors, und die Schaltfrequenz ist nicht größer als 1,1-mal die mechanische Resonanzfrequenz des Sensors. Die Messschaltung kann auch implementiert sein, um ferner ein LFSR zu umfassen, das konfiguriert ist, um ein LFSR-Zustandssignal gemäß dem variablen Taktsignal und einem Referenzoszillatorsignal zu erzeugen.
Die Messschaltung kann ferner auch konfiguriert sein, um ein Zählersignal gemäß dem variablen Taktsignal und dem Referenzoszillatorsignal zu erzeugen. In dieser Implementierung kann die Messschaltung auch konfiguriert sein, um das variable Taktsignal gemäß einem Frequenzauswahlsignal zu erzeugen, ein LFSR-Aktivierungssignal gemäß dem Zählersignal zu erzeugen und das Frequenzauswahlsignal gemäß dem LFSR-Zustandssignal und dem Zählersignal zu erzeugen. Das LFSR kann ferner auch konfiguriert sein, um das LFSR-Zustandssignal gemäß dem LFSR-Aktivierungssignal zu erzeugen.
Die Messschaltung kann auch implementiert sein, sodass das Anregungssignal eine Rechteckwelle umfasst, und der Sensor ein MEMS-Element umfasst. In dieser Implementierung kann das MEMS-Element einen ersten druckempfindlichen Kondensator umfassen.
Die Messschaltung kann auch implementiert sein, sodass der Sensor ferner eine Kapazitätsbrücke umfasst. Die Kapazitätsbrücke kann auch ein Paar von Brückenabschnitten umfassen, die jeder jeweils einen druckempfindlichen Kondensator und einen Referenzkondensator umfassen, die an einem Ausgangsknoten miteinander gekoppelt sind. In dieser Implementierung variiert eine Kapazität des druckempfindlichen Kondensators stärker mit dem Druck als eine Kapazität des Referenzkondensators, und ein Antwortsignal umfasst Ausgangssignale des Paares von Brückenabschnitten. Die Messschaltung kann auch implementiert sein, sodass sich die Kapazität des Referenzkondensators relativ zu einer Änderung der Kapazität des druckempfindlichen Kondensators mit der Temperatur nach einer bekannten Beziehung mit der Temperatur ändert. Die Messschaltung kann auch implementiert sein, sodass die Messabtastung zumindest
eines aus einem Mittel erster digitaler Abtastungen der Vielzahl digitaler Abtastungen oder einem Medianwert der ersten digitalen Abtastungen umfasst.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Messvorrichtung bereitgestellt. Die Messvorrichtung umfasst einen Sensor und einen Analog-Digital-Wandler (ADC), der mit einem Ausgang des Sensors gekoppelt ist. Der ADC umfasst einen Pseudozufallssequenzgenerator und einen ersten Oszillator. Der erste Oszillator umfasst einen Eingang, der mit einem Ausgang des Pseudozufallssequenzgenerators gekoppelt ist. Die Messvorrichtung umfasst auch einen Filter, der einen Eingang aufweist, der mit einem Ausgang des ADCs gekoppelt ist.
Ebenso kann die vorangehende, beispielhafte Ausführungsform einer Messvorrichtung implementiert sein, um eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Merkmale zu umfassen. Die Messvorrichtung kann auch implementiert sein, sodass der ADC einen Frequenzteiler umfasst, der zwischen einem Ausgang des ersten Oszillators und dem Filtereingang gekoppelt ist. In einer solchen Implementierung kann der Filter ein Tiefpassfilter sein. Die Messvorrichtung kann auch implementiert sein, sodass der Pseudozufallssequenzgenerator ferner ein LFSR umfasst.
Die Messvorrichtung kann auch implementiert sein, sodass der Pseudozufallssequenzgenerator ferner einen Zähler und ein Logiknetzwerk umfasst. Der Zähler kann einen Zählerrücksetzungseingang umfassen, der mit einem Ausgang eines Referenzoszillators gekoppelt ist. Der Zähler kann auch einen Zählertakteingang umfassen, der mit dem ersten Oszillatorausgang gekoppelt ist. In dieser Implementierung kann das LFSR einen Aktivierungseingang, der mit einem Ausgang des Zählers gekoppelt ist, und einen LFSR-Rücksetzungseingang umfassen, der mit dem Referenzoszillatorausgang gekoppelt ist. Das LFSR kann auch einen LFSR-Takteingang, der mit dem ersten Oszillatoreingang gekoppelt ist; und einen LFSR-Ausgang umfassen, der mit dem ersten Oszillatoreingang gekoppelt ist. Das Logiknetzwerk kann einen ersten Logikeingang, der mit dem Zählerausgang gekoppelt ist, einen zweiten Logikeingang, der mit dem LFSR-Ausgang gekoppelt ist, einen ersten Logikausgang, der mit dem Aktivierungseingang des LFSR gekoppelt ist, und einen zweiten Logikausgang umfassen, der mit dem ersten Oszillatoreingang gekoppelt ist.
Die Messvorrichtung kann ferner auch implementiert sein, um einen Rechteckwellengenerator zu umfassen. Der Rechteckwellengenerator kann einen Ausgang umfassen, der mit einem Eingang des Sensors gekoppelt ist, und der Sensor kann ein MEMS-Element umfassen, das eine unterkritisch gedämpfte Antwort aufweist. Das MEMS-Element kann einen ersten druckempfindlichen Kondensator umfassen.
Die Messvorrichtung kann ferner auch implementiert sein, um eine Kapazitätsbrücke zu umfassen. Die Kapazitätsbrücke umfasst einen ersten Brückenabschnitt und einen zweiten Brückenabschnitt. Der erste Brückenabschnitt kann den ersten druckempfindlichen Kondensator und einen ersten Referenzkondensator umfassen, die an einem ersten Ausgangsknoten der Kapazitätsbrücke miteinander gekoppelt sind. Der zweite Brückenabschnitt kann einen zweiten druckempfindlichen Kondensator und einen zweiten Referenzkondensator umfassen, die an einem zweiten Ausgangsknoten der Kapazitätsbrücke miteinander gekoppelt sind, sodass eine Kapazität des ersten druckempfindlichen Kondensator stärker mit dem Druck variiert als eine Kapazität des ersten Referenzkondensators. In dieser Implementierung variiert eine Kapazität des zweiten druckempfindlichen Kondensators stärker mit dem Druck als eine Kapazität des zweiten Referenzkondensators, und der erste Ausgangsknoten und der zweite Ausgangsknote der Kapazitätsbrücke sind mit dem ADC gekoppelt.
Veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben den Vorteil, dass sie schmalbandiges Rauschen aufgrund von Resonanz unterdrücken. Eine Ausführungsform eines Systems kann zum Beispiel einen Pseudozufalls-Abtasttaktjitter verwenden, um die Breite des Rauschbandes zu erhöhen, sodass dieses leichter herausgefiltert werden kann.
Dritte Ausführungsform
In der dritten Ausführungsform wird der MEMS-Drucksensor unter Verwendung eines Arrays oder von MEMS-Drucksensoren, die variierende Dimensionen aufweisen, implementiert, sodass jeder der MEMS-Drucksensoren mit unterschiedlicher Frequenz in Resonanz ist. Wenn daher die MEMS-Drucksensoren durch das Anregungssignal stimuliert werden, kann die Amplitude des Einschwingens zu verschiedenen Zeiten aufgrund der verschiedenen Resonanzantworten, die zueinander phasenverschonen sind, verringert werden. Das ist der Fall, wenn die einzelnen Resonanzsignale zum Beispiel durch Verbinden der Sensoren in elektrischer Parallelschaltung hinzugefügt werden. Um das Einschwingen zu verringern, das durch eine unterkritisch gedämpfte Antwort der MEMS-Drucksensoren verursacht wird, sind mit einem Array von kapazitiven MEMS-Drucksensoren konzipiert. Jeder kapazitive Drucksensor ist mit unterschiedlichen Dimensionen konzipiert, sodass die harmonische Frequenz für jedes kapazitive Sensorelement sich von den anderen in dem Array unterscheidet. Wenn es mit einem Rechteckanregungssignal angeregt ist, schwingt jedes kapazitive Sensorelement mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz ein und wird Harmonische dämpften, die die unterkritisch gedämpfte Antwort des MEMS-Drucksensors stimulieren können.
Die 12a zeigen ein Schaltbild eines druckempfindlichen MEMS-Arrays 1202, und 12b zeigt eine entsprechende Layout-Konfiguration 1204 des MEMS-Arrays, das zwanzig parallel verbundene Zellen umfasst. Jede Zelleinheit ist mit unterschiedlichen Dimensionen konzipiert, um unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufzuweisen. Wie in 12a gezeigt weist beispielsweise die erste MEMS-Zelle eine Dimension von 55,050 µm je Seite auf, die zweite MEMS-Zelle weist eine Dimension von 55,500 µm je Seite auf, und die letzte MEMS-Zelle weist eine Dimension von 63,975 µm je Seite für eine Gesamtspanne von +/–7,5 % auf. Es soll verstanden werden, dass das Beispiel der 12a und 12b nur eine von vielen möglichen Ausführungsformen von Umsetzungen ist. In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Gesamtspanne unterschiedlich sein, ebenso, wie die Verteilung der Vorrichtungsgrößen unterschiedlich sein kann.
Da jede der MEMS-Zellen eine unterschiedliche Dimension aufweist, weist jede der MEMS-Zellen eine unterschiedliche Resonanzfrequenz auf. Daher schwingt jede MEMS-Zelle mit einer unterschiedlichen Frequenz ein, wenn sie durch das Eingangsanregungssignal stimuliert wird. In bestimmten Zeitperioden kann die Einschwingamplitude aufgrund destruktiver Interferenz klein sein, oder die Einschwingamplitude kann aufgrund konstruktiver Interferenz größer sein. In verschiedenen Ausführungsformen wird Einschwingen im Vergleich zu einer Anordnung mit einem gleich großen MEMS verringert. In einer Ausführungsform werden die Größen der MEMS-Zellen so ausgewählt, dass die Resonanzfrequenzen der MEMS-Zellen so verteilt sind, dass der Ausgang der MEMS-Zellen gemessen und/oder während geeigneter Zeitperioden, in denen destruktive Interferenz auftritt, abtastet werden kann, um Messfehler aufgrund der Einschwingantwort der MEMS-Zellen zu verringern oder zu minimieren.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die geometrische Gesamtspanne zwischen der kleinsten und der größten MEMS-Sensorzelle sowie wie die Zellgrößen verteilt werden durch Durchführen von Simulationen bestimmt werden, um zu bestimmen, wie eine Größenspanne für eine bestimmte MEMS-Sensorzelle eine Verringerung des Einschwingens für die zusammengesetzte Antwort bewirkt. In einer spezifischen Ausführungsform ist die Variation der Dimension jeder Zelle auf innerhalb 7,5 % beschränkt. Dies ist jedoch nur ein Beispiel, und in alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Grenze der Variation der Dimension größer oder kleiner als 7,5 % sein.
13 zeigt ein Diagramm einer Ausgangswellenform, die einen MEMS-Drucksensor verwendet, der umfasst, dass jede MEMS-Zelle die gleiche Dimension und die gleiche Resonanzfrequenz aufweist. Die horizontale Achse stellt die Zeit in Millisekunden dar, und die vertikale Achse stellt einen normalisierten Ausgangswert dar. Die Wellenform 1300 zeigt eine normalisierte Amplitude des Ausgangseinschwingens, wenn sie mit einem Rechteckeingangsanregungssignal angeregt wird. Die Wellenform zeigt die längere Beruhigungszeit und die größere Amplitude des Einschwingens an.
14 zeigt ein Diagramm einer Ausgangswellenform, die den MEMS-Drucksensor verwendet, der unterschiedliche Dimensionen für jede Zelleinheit und verteilte Resonanzfrequenzen aufweist. Die horizontale Achse stellt die Zeit in Sekunden dar, und die vertikale Achse stellt einen normalisierten Ausgangswert dar. Wie gezeigt ist die Beruhigungszeit der Zeitantwort schneller als die durch das Diagramm von 13 dargestellte Ausführungsform, in der alle MEMS-Zellen die gleiche Dimension aufweisen. In einer Ausführungsform kann der ADC den Ausgang des MEMS-Drucksensors zu Zeiten abtasten, während denen die Einschwingantwort auf einem Minimum ist. In der spezifischen durch das Diagramm von 14 dargestellten Ausführungsform können solche Zeiten zum Beispiel zwischen etwa 2 µs und etwa 4 µs oder zwischen 6 µs und 9 µs umfassen, wenn die normalisierte Einschwingantwort geringer als 0,1 % ist. In alternativen Ausführungsformen können andere Beruhigungszeiten und Abtastzeiträume abhängig von der bestimmten Ausführungsform und ihren Spezifikationen verwendet werden. So können in verschiedenen Ausführungsformen die MEMS-Resonanzfrequenz und die Abtasttaktfrequenz mit der Zeit oder Temperatur oder Versorgungsspannung variieren, ohne der Vorteil dieser Ausführungsform des Verfahrens zu verlieren.
15 zeigt ein Diagramm eines Frequenzspektrums einer Ausgangswellenform, in dem die Resonanzfrequenzen verteilt sind. Die horizontale Achse stellt Frequenz dar, und die vertikale Achse stellt die Amplitude dar. In einer Ausführungsform sind die Resonanzfrequenzen zwischen 4,5 MHz und 6,2 MHz verteilt.
16 zeigt ein Vergleichsdiagramm, das zwei simulierte Wellenformen umfasst, die das Ausgangsspannungseinschwingen darstellen. Die Wellenform 1602 ist von einer Ausführungsform, die einen MEMS-Drucksensor-Array umfasst, in dem jede Zelleinheit die gleiche Dimension und Resonanzfrequenz aufweist, und die Wellenform 1604 ist von einer Ausführungsform, die einen MEMS-Drucksensor-Array umfasst, in dem jede Zelleinheit eine unterschiedliche Dimension aufweist. Die Wellenform 1602 zeigt eine Einschwingamplitude um 6 uV Spitze-Spitze, und die Wellenform 1604 zeigt eine Einschwingamplitude um 1 uV Spitze-Spitze.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können Schaltungen oder Systeme konfiguriert sein, um bestimmte Operationen oder Aktionen dadurch durchzuführen, dass Hardware, Software, Firmware oder eine Kombination davon auf dem System installiert ist, das im Betrieb das System veranlasst, die Aktionen durchzuführen. Ein allgemeiner Aspekt umfasst ein Verfahren zum Durchführen einer Messung unter Verwendung eines Mikroelektromechaniksystem-(MEMS-)Sensors, der MEMS-Sensoren umfasst, die in einer Brückenkonfiguration gekoppelt sind, wobei eine Vielzahl der MEMS-Sensoren unterschiedliche Resonanzfrequenzen umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Anlegen eines Anregungssignals auf einen ersten Anschluss der Brückenkonfiguration, wobei jeder von der Vielzahl der MEMS-Sensoren durch das Anregungssignal stimuliert wird; das Messen eines Signals an einem zweiten Anschluss der Brückenkonfiguration; und das Bestimmen eines gemessenen Werts basierend auf der Messung des Signals. Andere Ausführungsformen dieses Aspekts umfassen entsprechende Schaltungen und Systeme, die konfiguriert sind, um verschiedene Aktionen der Verfahren durchzuführen.
Umsetzungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen. Das Verfahren, wobei der MEMS-Sensor einen MEMS-Drucksensor umfasst, und der gemessene Wert einen Druck umfasst. Das Verfahren, wobei die Brückenkonfiguration einen ersten Zweig umfasst, der eine erste Gruppe der MEMS-Sensoren aufweist, die mit einem ersten Kondensator gekoppelt ist, und einen zweiten Zweig umfasst, der eine zweite Gruppe von MEMS-Sensoren aufweist, die mit einem zweiten Kondensator gekoppelt ist. Das Verfahren, wobei jeder von der Vielzahl der MEMS-Sensoren unterschiedliche Größendimensionen umfasst. Das Verfahren, wobei die Größendimensionen um etwa +/–7,5 % variieren. Das Verfahren, wobei die Größendimensionen gleichmäßig verteilt sind. Das Verfahren, wobei das Messen eines Signals an einem zweiten Anschluss der Brückenkonfiguration das Durchführen einer A/D-Umwandlung umfasst. Das Verfahren, wobei eine Übergangsantwort der Brückenkonfiguration das Einschwingen bei den unterschiedlichen Resonanzfrequenzen umfasst, und das Einschwingen Zeitintervalle von konstruktiver Interferenz und Intervalle von destruktiver Interferenz umfasst. Das Verfahren, wobei das Messen eines Signals an einem zweiten Anschluss der Brückenkonfiguration das Messen des Signals an dem zweiten Anschluss der Brückenkonfiguration während eines Intervalls von destruktiver Interferenz umfasst. Das Verfahren, wobei das Messen des Signals ferner das Abtasten des Signals während des Intervalls der destruktiven Interferenz umfasst. Das Verfahren, wobei das Messen des Signals ferner das Durchführen einer A/D-Umwandlung des Signals während des Intervalls der destruktiven Interferenz umfasst. Umsetzungen der beschriebenen Techniken können Hardware, ein Verfahren oder einen Prozess oder Computersoftware auf einem computerzugänglichen Medium umfassen.
Ein allgemeiner Aspekt umfasst ein System, umfassend: ein Mikroelektromechaniksystem-(MEMS-)Sensor-Array, umfassend eine Brücke, wobei die Brücke einen ersten Brückenabschnitt und einen zweiten Brückenabschnitt umfasst, wobei der erste Brückenabschnitt einen ersten druckempfindlichen MEMS-Sensor umfasst, der mit einem ersten Referenz-MEMS-Kondensator gekoppelt ist, wobei der erste druckempfindliche MEMS-Sensor ein erstes Array von mehreren MEMS-Sensoren umfasst, die unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen. Andere Ausführungsformen dieses Aspekts umfassen entsprechende Schaltungen und Systeme, die konfiguriert sind, um die verschiedenen Aktionen der Verfahren durchzuführen.
Umsetzungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen. Das System, wobei der zweite Brückenabschnitt einen zweiten druckempfindlichen MEMS-Sensor umfasst, der mit einem zweiten Referenz-MEMS-Kondensator gekoppelt ist, wobei der zweite druckempfindliche MEMS-Sensor ein zweites Array von mehreren MEMS-Sensoren umfasst, die unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen. Das System, wobei: die mehreren MEMS-Sensoren des ersten Arrays parallel gekoppelt sind; und die mehreren MEMS-Sensoren des zweiten Arrays parallel gekoppelt sind. Das System, wobei die mehreren MEMS-Sensoren des ersten Arrays rechteckig sind. Das System, wobei mehrere MEMS-Sensoren des ersten Arrays jeweils unterschiedliche Dimensionen aufweisen. Das System, wobei die unterschiedlichen Dimensionen unterschiedliche Längen umfassen. Das System, wobei die unterschiedlichen Längen eine Variation von etwa +/–7,5 % aufweisen. Das System, ferner umfassend: einen Anregungsgenerator, der einen Ausgang aufweist, die mit einem ersten Anschluss des MEMS-Sensor-Arrays gekoppelt ist; und eine Messschaltung, die einen Eingang aufweist, die mit einem zweiten Anschluss des MEMS-Sensor-Arrays gekoppelt ist. Das System, wobei die Messschaltung einen A/D-Wandler umfasst. Das System, ferner umfassend einen Filter, der mit einem Ausgang des A/D-Wandlers gekoppelt ist. Das System, wobei der Filter einen Tiefpassfilter umfasst. Umsetzungen der beschriebenen Techniken können Hardware, ein Verfahren oder einen Prozess oder Computersoftware auf einem computerzugänglichen Medium umfassen.
Ein Vorteil mancher Ausführungsformen umfasst das Vermögen, die Wirkung von Einschwingen zu verringern, wenn kapazitiver MEMS-Array mit MEMS-Zellen konzipiert ist, die unterschiedliche Dimensionen und Resonanzfrequenzen aufweisen.
Vierte Ausführungsform
In einer vierten Ausführungsform wird ein überabgetasteter Analog-Digital-Wandler (ADC) verwendet, um den Ausgang des MEMS-Sensors zu überwachen. Um Leerlauftöne in dem überabgetasteten ADC abzuschwächen, wird ein geditherter Taktgeber verwendet, um den überabgetasteten ADC zu betreiben. In manchen Ausführungsformen kann das geditherte Taktsignal gemäß der zweiten hierin offenbarten Ausführungsform erzeugt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird die Umwandlung des Analogsignals in die Digitaldomäne unter Verwendung eines Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlers (ADC) durchgeführt. Verschiedene Ausführungsformen von Sigma-Delta-ADCs umfassen Rückkopplungs- und Referenzspannungsversorgungen. Zur Druckabtastung ist das gemessene Signal im Allgemeinen bei sehr niedrigen Frequenzen nahe DC. Beispielsweise kann Druckabtastung Eingangssignale von 0 bis 10 Hz messen. Die Erfinder bestimmten, dass Leerlauftöne, die im Sigma-Delta-ADC vorliegen, mit Rauschen in der Referenzspannungsversorgung auf multiplikative Weise interagieren, um eine Fehlerkomponente bei DC zu erzeugen. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Sigma-Delta-ADC mit einem geditherten Taktgeber bereitgestellt, um die Rauschkomponenten zu verteilen und die Fehlerkomponente bei DC zu verringern oder zu entfernen. In solchen Ausführungsformen wird der geditherte Taktgeber als Systemtaktgeber für die Schnittstellenschaltung verwendet, einschließlich zum Beispiel die Spannungsversorgungsschaltung, den Sigma-Delta-ADC, einen Ausgangsfilter oder andere Komponenten.
17 veranschaulicht ein Systemblockschaltbild einer Ausführungsform eines MEMS-Drucksensorsystems 1700, umfassend MEMS-Drucksensor 1702, Ausgangsschaltung 1704, geditherter Taktgeber 1706 und Versorgungsschaltung 1708. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wandelt der MEMS-Drucksensor 1702 physikalische Druckmessung P_MES in Analogsignal A_MES um. Der MEMS-Drucksensor 1702 empfängt eine Spannungsreferenz V_REF von der Versorgungsschaltung 1708, die eine Schaltspannung als Spannungsreferenz V_REF basierend auf geditherten Taktsignal CLK vom geditherten Taktgeber 1706 erzeugen kann. Die Versorgungsschaltung 1708 kann auch Spannungsreferenz V_REF für die Ausgangsschaltung 1704 bereitstellen. Die Ausgangsschaltung 1704 empfängt das Analogsignal A_MES und erzeugt ein Digitaldrucksignal D_MES basierend auf dem Analogsignal A_MES.
In verschiedenen Ausführungsformen arbeitet die Ausgangsschaltung 1704, um das Analogsignal A_MES zu verstärken, umzuwandeln und zu filtern, um das Digitaldrucksignal D_MES zu erzeugen. In derartigen Ausführungsformen umfasst die Ausgangsschaltung einen Sigma-Delta-ADC, der das Analogsignal A_MES in das Digitaldrucksignal D_MES basierend auf einer Abtastzeit, die durch das geditherte Taktsignal CLK von dem geditherten Taktgeber 1706 gesteuert wird, umwandelt. Der Betrieb des Sigma-Delta-ADC basierend auf einem geditherten Taktgeber kann DC-Rauschkomponenten verringern oder entfernen, die durch eine Interaktion von Leerlauftönen von dem Sigma-Delta-ADC und Rauschen in der Spannungsreferenz V_REF erzeugt werden.
18 veranschaulicht ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines MEMS-Drucksensorsystems 1800, umfassend kapazitiven Differenzausgang-MEMS-Druckwandler 1802 und anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 1803, die ferner Ausgangsschaltung 1804, geditherten Taktgeber 1806 und Spannungsreferenzversorgung 1808 umfasst. Ausgangsschaltung 1804 umfasst Verstärker 1810, inkrementellen Sigma-Delta-ADC 1812 und Dezimationsfilter 1814. MEMS-Drucksensorsystem 1800 kann eine Umsetzung des hierin oben in Bezug auf 17 beschriebenen MEMS-Drucksensorsystems 1700 sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wandelt der kapazitive Differenzausgang-MEMS-Druckwandler 1802 physikalische Drucksignale in einen Differenzanalogausgang einschließlich Analogsignale A+ und A– um. Der kapazitive Differenzausgang-MEMS-Druckwandler 1802 umfasst Struktur mit variabler Kapazität 1820 und Struktur mit variabler Kapazität 1824, die mit kapazitiver Referenzstruktur 1822 und kapazitiver Referenzstruktur 1826 als kapazitive Brücke mit Analogsignalen A+ und A–, die von Mittelknoten jedes Zweigs der kapazitiven Brücke wie gezeigt ausgegeben werden, verbunden sind. In derartigen Ausführungsformen können die kapazitive Referenzstruktur 1822 und die kapazitive Referenzstruktur 1826 aus elektrisch leitfähigen Strukturen ausgebildet sein, d.h., parallele Platten ausbilden, die durch einen dielektrischen Abstandshalter getrennt sind, wobei die Beabstandung der elektrisch leitfähigen Strukturen fixiert ist und sich als Antwort auf Druckveränderungen nicht ändert. Die Struktur mit variabler Kapazität 1820 und die Struktur mit variabler Kapazität 1824 sind aus elektrisch leitfähigen Strukturen ausgebildet, die durch eine Abstandsdistanz getrennt sind, wobei die Beabstandung der elektrischen Strukturen von dem Druck abhängt, der auf die elektrisch leitfähigen Strukturen ausgeübt wird. Beispielsweise können die Struktur mit variabler Kapazität 1820 und die Struktur mit variabler Kapazität 1824 jeweils eine auslenkbare Membran umfassen, die über einem abgedichteten Hohlraum oberhalb eines Substrats mit einer elektrisch leitfähigen Diffusionsregion unterhalb der Membran ausgebildet ist. In derartigen Ausführungsformen kann die Membran der Struktur mit variabler Kapazität aufgrund eines Druckunterschieds zwischen der Außenoberfläche und dem abgedichteten Hohlraum auslenken. Solche Auslenkungen beeinflussen die Kapazität zwischen der Membran und der elektrisch leitfähigen Diffusionsregion, die an elektrischen Kontakten zur Membran und zur elektrisch leitfähigen Diffusionsregion gemessen wird. Die kapazitive Referenzstruktur 1822 und die kapazitive Referenzstruktur 1826 können jeweils eine ähnliche Struktur aufweisen, wobei der Hohlraum mit dem dielektrischen Abstandshaltermaterial gefüllt ist. In anderen Ausführungsformen können viele Arten von kapazitiven Drucksensoren für den kapazitiven Differenzausgang-MEMS-Druckwandler 1802 verwendet werden, einschließlich beispielsweise kapazitive Kammansteuerstrukturen, mehrere durch Platten freigegebene kapazitive Plattenstrukturen oder andere kapazitive MEMS-Strukturen.
In verschiedenen Ausführungsformen wird der Differenzanalogausgang einschließlich Analogsignale A+ und A– vom kapazitiven Differenzausgang-MEMS-Druckwandler 1802 an den Verstärker 1810 geliefert, welcher das Differenzsignal verstärkt und das verstärkte elektrische Analogsignal proportional zum gemessenen physikalischen Druck für inkrementellen Sigma-Delta-ADC 1812 bereitstellt. In anderen Ausführungsformen kann der inkrementelle Sigma-Delta-ADC 1812 eine beliebige Art von Sigma-Delta-ADC sein. In einer bestimmten Ausführungsform arbeitet der inkrementelle Sigma-Delta-ADC 1812 für eine festgelegte Dauer oder Anzahl an Abtastungen, bevor der Betrieb beendet wird, und wird daher als inkrementell bezeichnet. Eine derartige Ausführungsform kann Leistungsverbrauch verringern. Der inkrementelle Sigma-Delta-ADC 1812 beginnt den Betrieb, d.h., die Aufweckphase, bei einer fixierten Zeitverzögerung oder als Antwort auf eine Druckveränderung oberhalb von einem Schwellenwert. In manchen Ausführungsformen wird der ADC 1812 für eine gewisse Zeitperiode wie bestimmt eingeschaltet, zum Beispiel durch eine Zielgenauigkeitseinstellung, und dann abgeschaltet, bis eine nächste Umwandlung angefordert wird.
In verschiedenen Ausführungsformen arbeitet der inkrementelle Sigma-Delta-ADC 1812 gemäß dem geditherten Taktsignal CLK, um ein digitales Ausgangssignal proportional zum eingangsverstärkten elektrischen Analogsignal zu erzeugen, das proportional zum gemessenen physikalischen Druck des kapazitiven Differenzausgang-MEMS-Druckwandlers 1802 ist. Der inkrementelle Sigma-Delta-ADC 1812 umfasst einen Rückkopplungsmechanismus, der das digitale Ausgangssignal kontinuierlich einstellt. Ferner ist eine Beschreibung von zwei beispielhaften Sigma-Delta-ADCs hierin untenstehend in Bezug auf die 21a und 21b bereitgestellt.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das digitale Ausgangssignal vom inkrementellen Sigma-Delta-ADC 1812 eine hohe Bit-Rate aufweisen. Der inkrementelle Sigma-Delta-ADC 1812 kann eine Abtastrate, d.h., eine Überabtastrate, umfassen, die beispielsweise in der Amplitude von 1000 oder 10.000-mal höher ist als die vorgesehene Abtastrate. In einer spezifischen Ausführungsform kann der inkrementelle Sigma-Delta-ADC 1812 das Digitalsignal basierend auf einer Abtastrate von 160 kHz ausgeben, welche 160.000 Abtastungen pro Sekunde entspricht. Für ein derartiges System kann das vorgesehene digitale Ausgangssignal nur 10 Hz betragen. In derartigen Ausführungsformen verringert der Dezimationsfilter 1814 das 160-kHz-Signal hinunter auf 10 Hz und gibt das digitale Ausgangssignal D_OUT, das proportional zum gemessenen physikalischen Drucksignal vom kapazitiven Differenzausgang-MEMS-Druckwandler 1802 ist, mit der 10-Hz-Frequenz aus. Daher verringert der Dezimationsfilter 1814 die Bit-Rate um einen Faktor von 16.000. In anderen Ausführungsformen kann der Dezimationsfilter 1814 die Bit-Rate um andere Faktoren verringern.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen liefert der geditherte Taktgeber 1806 das geditherte Taktsignal CLK an den inkrementellen Sigma-Delta-ADC 1812, um die Abtastrate des Sigma-Delta-ADC zu steuern. In verschiedenen Ausführungsformen kann das geditherte Taktsignal CLK auch für die Spannungsreferenzversorgung 1808, den Verstärker 1810 oder den Dezimationsfilter 1814 bereitgestellt sein. Der geditherte Taktgeber 1806 erzeugt das geditherte Taktsignal CLK mit Jitter- oder Zufallsperioden. Im Allgemeinen wird ein Taktsignal mit einer festen oder konstanten Periode erzeugt, einschließlich zum Beispiel konstante steigende oder logisch hohe Zeitspannen und konstante fallende oder logisch niedrige Zeitspannen. Im Fall vom geditherten Taktgeber 1806 werden die steigenden oder logisch hohen Zeitspannen und fallenden oder logisch niedrigen Zeitspannen eingestellt. In derartigen Ausführungsformen können die Einstellungen des geditherten Taktsignals CLK zufällig oder pseudozufällig sein. Daher wird das geditherte Taktsignal CLK erzeugt, um erheblichen Taktgeberjitter mit variierten steigenden oder logisch hohen Zeitspannen oder variierten fallenden oder logisch niedrigen Zeitspannen absichtlich zu umfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen liefert die Spannungsreferenzversorgung 1808 Spannungsreferenz V_REF an den inkrementellen Sigma-Delta-ADC 1812, um Leistung an den ADC zu liefern. Die Spannungsreferenzversorgung 1808 kann auch Referenzspannungen für den kapazitiven Differenzausgang-MEMS-Druckwandler 1802 bereitstellen, um die kapazitiven Strukturen vorzuspannen. Spezifisch stellt die Spannungsreferenzversorgung 1808 positive Referenzspannung V+ und negative Referenzspannung V– bereit. In manchen bestimmten Ausführungsformen stellt die Spannungsreferenzversorgung 1808 gepulste Referenzspannungen für den kapazitiven Differenzausgang-MEMS-Druckwandler 1802 bereit. In derartigen Ausführungsformen kann die Spannungsreferenzversorgung 1808 einen Chopper-Schalter umfassen, um die Referenzspannungen, die an den kapazitiven Differenzausgang-MEMS-Druckwandler 1802 geliefert werden, zu schalten.
In verschiedenen Ausführungsformen werden der kapazitive Differenzausgang-MEMS-Druckwandler 1802 und ASIC 1803 auf getrennten Wafern oder Nacktchips ausgebildet. In anderen Ausführungsformen werden der kapazitive Differenzausgang-MEMS-Druckwandler 1802 und ASIC 1803 auf einem gleichen Wafer oder Nacktchip ausgebildet, wie etwa ein einzelner Nacktchip einer integrierten Schaltung (IC).
Die 19a und 19b veranschaulichen Wellenformdiagramme von beispielhaften Rauschsignalen, die in einem Sigma-Delta-ADC erzeugt werden. 19a zeigt eine Kurve 1901, die eine schnelle Fouriertransformation (FFT) von dem Ausgang des Sigma-Delta-ADC darstellt, die auch Leerlaufton 1912 und Leerlaufton 1914 bei etwa 65 KHz bzw. 95 KHz zeigt. Leerlauftöne sind unerwünschte Bitsequenzen bei spezifischen Frequenzen wie gezeigt in dem Ausgang, die nicht auf dem Eingangssignal an den Sigma-Delta-ADC basieren. Diese Leerlauftöne sind ein Artefakt des Rückkopplungsmechanismus in dem Sigma-Delta-ADC und können vorliegen, wenn das Eingangssignal des ADC nicht „beschäftigt“ ist. In manchen Fällen können die Leerlauftöne besonders stark sein, wenn der ADC einen Ein-Bit-(2-Level-)Quantisierer einsetzt. Eine derartige Situation kann für Ausführungsformen von Drucksensoren angewandt werden, die einen Sigma-Delta-ADC mit einem Ein-Bit-Quantisierer für gute Linearität verwendet.
19b zeigt eine Kurve 1900, die die Anzahl von Bits veranschaulicht, die die ungefähre Genauigkeit des Sigma-Delta-ADC anzeigt. Die Kurve 1900 wurde durch Einführen einer unerwünschten Sinuswelle an der Referenzspannung des Sigma-Delta-ADC erzeugt, um die Robustheit des Sigma-Delta-ADC in Bezug auf Versorgungsspannungswelligkeit zu bestimmen. Die Frequenz dieses Sinuswellensignals wird von 0 auf 160 kHz durchlaufen, und das integrierte Rauschen wurde gemessen. Demgemäß ist der ADC am empfindlichsten gegenüber Störern bei Vref, die die gleiche Frequenz wie die Leerlauftöne aufweisen. Da die Leerlauftonfrequenz mit dem DC-Eingangswert des Sigma-Delta-ADC variiert, die in manchen Ausführungsformen gemessener Druck von einem MEMS-Sensor sein kann, ändert sich die Empfindlichkeit gegenüber Störern mit dem ADC-Eingang. Ein solches Verhalten ist in manchen Ausführungsformen problematisch, da es schwierig ist, vorherzusagen, ob das Leerlauftonverhalten zu einem Problem in einer bestimmten Anwendung führt. In diesem beispielhaften Sigma-Delta-ADC liegt ein starker Abfall der Genauigkeit bei etwa 65 kHz und 95 kHz bei den Punkten 1902 bzw. 1904 vor, die der Frequenz der in 19a gezeigten Leerlauftöne 1912 und 1914 entsprechen.
Wie hierin oben kurz beschrieben bestimmten die Erfinder, dass Leerlauftöne, die in einem Sigma-Delta-ADC vorliegen, mit Rauschen in der Referenzspannungsversorgung auf multiplikative Weise interagieren, um eine Fehlerkomponente bei DC zu erzeugen. Daher können der Leerlaufton 1902 und der Leerlaufton 1904 mit Rauschen in der an den Sigma-Delta-ADC gelieferten Referenzspannung interagieren. Wie hierin obenstehend in Bezug auf 17 und 18 beschrieben umfassen verschiedene Ausführungsformen das Bereitstellen des geditherten Taktsignals CLK für den Sigma-Delta-ADC. In solchen Ausführungsformen wird der scharfe Wert der Leerlauftöne, wie etwa Leerlaufton 1902 und Leerlaufton 1904, über das Frequenzspektrum verstreut, und die Rauschkomponente bei DC, die vom Leerlaufton in Kombination mit dem Rauschen in der Referenzspannungsversorgung erzeugt wird, wird verringert oder entfernt. Eine Ausführungsform einer Rauschkurve ist in 20 gezeigt.
20 veranschaulicht ein Wellenformdiagramm von Rauschsignalen, die in einem Sigma-Delta-ADC ohne einen geditherten Taktgeber (Kurve 2000) und mit einem geditherten Taktgeber (Kurve 2001) erzeugt werden, das einen Vergleich der Auflösung in Bezug auf Referenzspannungsstörfrequenz zeigt. Wie gezeigt zeigt der beispielhafte Sigma-Delta-ADC mit einem nicht geditherten Standardtaktgeber (Kurve 2000) einen Leistungsverlust an den Punkten 2002 und 2004 an, die den in 19a oben gezeigten Leerlauftönen 1912 und 1914 entsprechen. Die Ausführungsform von Sigma-Delta-ADC mit einem geditherten Taktgeber verliert jedoch im Wesentlichen nicht die Rauschleistung an den Leerlauftonfrequenzen. Wie in Kurve 2001 gezeigt liegt ein im Wesentlichen verringerter Verlust an Rauschleistung an den 65-kHz- und 95-kHz-Leerlauftonfrequenzen vor. In einer derartigen Ausführungsform kann Taktgeber-Dithering das Frequenzspektrum von Leerlauftönen verbreitern und die DC-Rauschkomponente, die durch die multiplikative Interaktion der Leerlauftöne und das Rauschen in der Referenzspannungsversorgung erzeugt wird, verringern oder entfernen.
Die 21a und 21b veranschaulichen schematische Blockschaltbilder von Ausführungsformen von Sigma-Delta-ADCs 2100 und 2101. 21a zeigt zeitdiskreten Sigma-Delta-ADC 2100, einschließlich Abtastschalter 2102, Schleifenfilter 2104, Komparator 2106, Digital-Analog-Wandler (DAC) 2108 und Addierer 2110. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen empfängt der zeitdiskrete Sigma-Delta-ADC 2100 Analogeingangssignal A_IN am Abtastschalter 2102. Analogeingangssignal A_IN kann ein verstärktes Analogsignal sein, das von einem Verstärker empfangen wird, der mit einem kapazitiven MEMS-Druckwandler gekoppelt ist, wie etwa vom hierin obenstehend in Bezug auf 18 beschriebenen Verstärker 1810. Daher kann das Analogeingangssignal A_IN beispielsweise proportional zu einem gemessenen physikalischen Drucksignal sein.
In verschiedenen Ausführungsformen wird der Abtastschalter 2102 durch das geditherte Taktsignal CLK gesteuert, das von den geditherten Taktgebern 1706 oder 1806 wie hierin oben in Bezug auf die 17 und 18 beschrieben bereitgestellt sein kann. Das geditherte Taktsignal CLK veranlasst den Abtastschalter 2102, gemäß der Abtastrate, die gleich wie die Frequenz des geditherten Taktsignals CLK ist, zu öffnen und zu schließen. Daher erzeugt der Abtastschalter 2102 ein abgetastetes Analogeingangssignal SA_IN, das durch den Addierer 2110 für den Schleifenfilter 2104 bereitgestellt ist. Durch das Abtasten ist das Analogsignal kein kontinuierliches Signal mehr, sondern stattdessen ein diskret abgetastetes Analogeingangssignal SA_IN. In derartigen Ausführungsformen kann der Schleifenfilter 2104 als Tiefpassfilter (LPF) implementiert sein, um Komponenten höherer Frequenz zu entfernen. In manchen Ausführungsformen ist der Schleifenfilter 2104 als Integrator implementiert.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird nach dem Filtern im Schleifenfilter 2104 das abgetastete und gefilterte Analogeingangssignal für den Komparator 2106 bereitgestellt, der das Eingangssignal mit einem Schwellenwert vergleicht. Beispielsweise kann der Schwellenwert 0 V sein. Basierend auf dem Vergleich stellt der Komparator 2106 das Digitalausgangssignal D_OUT bereit. Der Strom an Bits im Digitalausgangssignal D_OUT ist proportional zum Analogeingangssignal A_IN. Ferner wird das Digitalausgangssignal D_OUT durch DAC 2108 zurück zum Addierer 2110 bereitgestellt. In derartigen Ausführungsformen wird der DAC 2108 durch Spannungsreferenz V_REF wie etwa von der Versorgungsschaltung 1708 oder der Spannungsreferenzversorgung 1808, die hierin in Bezug auf die 17 und 18 beschrieben sind, geliefert.
Wie hierin erörtert kann die Rückkopplungsschleife mancher Sigma-Delta-ADCs Leerlauftöne erzeugen, und es kann Rauschen in der Spannungsreferenz V_REF vorliegen. In derartigen ADCs können diese zwei Fehlerquellen multiplikativ durch einen DAC kombiniert werden, um eine DC-Fehlerkomponente auszubilden. In verschiedenen Ausführungsformen verteilt die Einführung des geditherten Taktsignals CLK von einem geditherten Taktgeber die Frequenz der Leerlauftöne und verringert oder entfernt die DC-Fehlerkomponente. Der Addierer 2110 kombiniert den zurückgewandelten Analogausgang des DAC 2108 mit abgetastetem Analogeingang SA_IN, um Rückkopplung für verbesserte Leistung bereitzustellen.
21b zeigt zeitkontinuierlichen Sigma-Delta-ADC 2101, einschließlich Schleifenfilter 2105, getaktetem Komparator 2112, DAC 2108 und Addierer 2100. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen arbeitet der zeitkontinuierliche Sigma-Delta-ADC 2101 wie hierin oben in Bezug auf den zeitkontinuierlichen Sigma-Delta-ADC 2100 in 21a beschrieben, wobei der Abtastschalter 2102 entfernt wird, der Schleifenfilter 2104 durch den Schleifenfilter 2105 ersetzt wird und der Komparator 2106 durch den getakteten Komparator 2112 ersetzt wird. In derartigen Ausführungsformen wird das Analogeingangssignal A_IN durch den Addierer 2110 für den Schleifenfilter 2105 bereitgestellt. Der Schleifenfilter 2105 kann wie in Bezug auf den Schleifenfilter 2104 beschrieben arbeiten, ist jedoch angeordnet, um ein zeitkontinuierliches Signal im Analogeingangssignal A_IN statt eines diskret abgetasteten Signals im abgetasteten Analogeingangssignal SA_IN zu empfangen.
In verschiedenen Ausführungsformen vergleicht der getaktete Komparator 2112 das gefilterte Analogeingangssignal mit einem Schwellenwert und stellt das Ergebnis der Umwandlung mit dem geditherten Taktsignal CLK bereit, um das Digitalausgangssignal D_OUT zu erzeugen. In derartigen Ausführungsformen kann die Schwellenwertspannung null Volt, VDD/2 und/oder andere Schwellenwertspannungen betragen. In derartigen Ausführungsformen bestimmt das geditherte Taktsignal CLK die Abtastrate von zeitkontinuierlichem Sigma-Delta-ADC 2101. Wie hierin obenstehend in Bezug auf 21a beschrieben stellt DAC 2108 Rückkopplung durch den Addierer 2110 bereit.
In derartigen Ausführungsformen stellt das Bereitstellen des geditherten Taktsignals CLK für den getakteten Komparator 2112 die gleichen Vorteile wie hierin obenstehend in Bezug auf das geditherte Taktsignal CLK in den anderen Figuren beschrieben bereit.
22 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb 2200 eines Sensors. Das Verfahren zum Betrieb 2200 umfasst die Schritte 2202–2212. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst Schritt 2202 das Umwandeln eines Drucksignals in ein elektrisches Signal. Das Drucksignal kann unter Verwendung eines kapazitiven MEMS-Druckwandlers gemessen und umgewandelt werden. Schritt 2204 umfasst das Erzeugen eines verstärkten elektrischen Signals durch Verstärken des elektrischen Signals. Beispielsweise kann das elektrische Signal durch einen Differenzeingangsverstärker verstärkt werden. Schritt 2206 umfasst das Erzeugen eines geditherten Taktsignals. In derartigen Ausführungsformen ist ein geditherter Taktgeber in dem Sensorsystem umfasst, um das geditherte Taktsignal zu erzeugen. In Schritt 2207 ist eine Referenzspannung für den Sigma-Delta-ADC bereitgestellt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst Schritt 2208 das Umwandeln des verstärkten elektrischen Signals in ein Digitalsignal unter Verwendung eines Sigma-Delta-ADC, der mit einer Abtastzeit arbeitet, die durch das in Schritt 2206 erzeugte geditherte Taktsignal gesteuert wird. In verschiedenen Ausführungsformen können die Schritte 2202–2208 neu geordnet werden und in anderen Reihenfolgen durchgeführt werden, und das Verfahren zum Betrieb 2200 kann modifiziert werden, um zusätzliche Schritte zu umfassen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können Schaltungen oder Systeme konfiguriert sein, um bestimmte Operationen oder Aktionen dadurch durchzuführen, dass Hardware, Software, Firmware oder eine Kombination davon auf dem System installiert ist, das im Betrieb das System veranlasst, die Aktionen durchzuführen. Ein allgemeiner Aspekt umfasst einen Sensor, umfassend: einen Mikroelektromechaniksystem-(MEMS-)Druckwandler; einen Verstärker, der mit dem MEMS-Druckwandler gekoppelt ist; einen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler (ADC), der mit dem Verstärker gekoppelt ist; einen geditherten Taktgeber, der mit dem Sigma-Delta-ADC gekoppelt ist und konfiguriert ist, um eine Abtastzeit des Sigma-Delta-ADCs unter Verwendung eines geditherten Taktsignals zu steuern; und eine Versorgungsspannungsschaltung, die mit dem Sigma-Delta-ADC gekoppelt ist, und den geditherten Taktgeber, wobei die Versorgungsspannungsschaltung konfiguriert ist, um basierend auf dem geditherten Taktsignal zu arbeiten. Andere Ausführungsformen dieses Aspekts umfassen entsprechende Schaltungen und Systeme, die konfiguriert sind, um die verschiedenen Aktionen der Verfahren durchzuführen.
Ein allgemeiner Aspekt umfasst ein Verfahren zum Betrieb eines Sensors, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Umwandeln eines Drucksignals in ein elektrisches Signal; das Erzeugen eines verstärkten elektrischen Signals durch Verstärken des elektrischen Signals; das Erzeugen eines geditherten Taktsignals; das Umwandeln des verstärkten elektrischen Signals in ein Digitalsignal unter Verwendung eines Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlers (ADC), der mit einer Abtastzeit arbeitet, die durch das geditherte Taktsignal gesteuert wird; das Erzeugen einer Referenzspannung basierend auf dem geditherten Taktsignal; und das Bereitstellen der Referenzspannung für den Sigma-Delta-ADC. Andere Ausführungsformen dieses Aspekts umfassen entsprechende Schaltungen und Systeme, die konfiguriert sind, um die verschiedenen Aktionen der Verfahren durchzuführen.
Ein allgemeiner Aspekt umfasst ein kapazitives Mikroelektromechaniksystem-(MEMS-)Drucksensorsystem, umfassend: einen kapazitiven Differenzausgang-MEMS-Drucksensor, umfassend: eine erste kapazitive Referenzstruktur, eine erste Struktur mit variabler Kapazität, die konfiguriert ist, um einen ersten Kapazitätswert in Bezug auf ein erstes Drucksignal zu variieren, einen ersten Ausgang, der zwischen der ersten kapazitiven Referenzstruktur und der ersten Struktur mit variabler Kapazität gekoppelt ist, eine zweite kapazitive Referenzstruktur, eine zweite Struktur mit variabler Kapazität, die konfiguriert ist, um einen zweiten Kapazitätswert in Bezug auf ein zweites Drucksignal zu variieren, und einen zweiten Ausgang, der zwischen der zweiten kapazitiven Referenzstruktur und der zweiten Struktur mit variabler Kapazität gekoppelt ist; einen Differenzverstärker, der mit dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang des kapazitiven Differenzausgang-MEMS-Drucksensors gekoppelt ist; einen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler (ADC), der mit einem Ausgang des Differenzverstärkers gekoppelt ist; einen geditherten Taktgeber, der mit dem Sigma-Delta-ADC gekoppelt ist und konfiguriert ist, um eine Abtastzeit des Sigma-Delta-ADC unter Verwendung eines geditherten Taktsignals zu steuern; und eine Versorgungsspannungsschaltung, die mit dem Sigma-Delta-ADC gekoppelt ist. Andere Ausführungsformen dieses Aspekts umfassen entsprechende Schaltungen und Systeme, die konfiguriert sind, um die verschiedenen Aktionen der Verfahren durchzuführen.
In manchen spezifischen Ausführungsformen ist ein MEMS-Druckwandler mit einem Sigma-Delta-ADC, der gemäß einem geditherten Taktsignal arbeitet, das durch einen geditherten Taktgeber erzeugt wird, besonders vorteilhaft. In derartigen spezifischen Ausführungsformen wird die absolute Druckmessung oder Druckmessung sehr niedriger Frequenz insbesondere durch DC-Rauschen von Leerlauftönen und Referenzspannungsversorgungsrauschen wie hierin oben beschrieben beeinflusst. Daher umfassen derartige spezifische Ausführungsformen besondere Vorteile von verringerten Rausch- oder verringerten Fehlerkomponenten bei DC und Messungen sehr niedriger Frequenz, was verbesserte Empfindlichkeit oder größere Auflösung ermöglichen kann.
Ein weiterer Vorteil mancher Ausführungsformen umfasst das Aufweisen eines robusteren Sensors, der weniger anfällig für Störer bei Sensorversorgungsknoten ist, insbesondere tonale Störer, die eine gleiche oder ähnliche Frequenz aufweisen wie ADC-Leerlauftöne.
Auch wenn diese Erfindung in Bezug auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht auf einschränkende Weise aufgefasst werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen der Erfindung sind Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung bei Verweis auf die Beschreibung ersichtlich. Es ist daher vorgesehen, dass die beiliegenden Ansprüche beliebige derartige Modifikationen oder Ausführungsformen einschließen.

Claims

Messverfahren, umfassend: Erzeugen eines Antwortsignals als Antwort auf ein Anregungssignal durch einen Sensor; Erzeugen eines Abtasttaktsignals gemäß einem Pseudozufallsjitter; Abtasten des Antwortsignals gemäß dem Abtasttaktsignal, um eine Vielzahl digitaler Abtastungen zu bestimmen; und das Kombinieren der Vielzahl digitaler Abtastungen, um eine Messabtastung zu bilden.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei: das Erzeugen des Taktsignals ein Erzeugen eines variablen Taktsignals mit einer variablen Taktfrequenz, das gemäß einer Schaltfrequenz umgeschaltet wird, umfasst; und eine Periode des Abtasttaktsignals ein ganzzahliges Vielfaches einer Periode des variablen Taktsignals ist.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei: der Sensor eine unterkritisch gedämpfte Antwort aufweist; die Schaltfrequenz nicht weniger als 0,9-mal eine mechanische Resonanzfrequenz des Sensors ist; und die Schaltfrequenz nicht größer als 1,1-mal die mechanische Resonanzfrequenz des Sensors ist.
Verfahren nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, wobei das Erzeugen des variablen Taktsignals Folgendes umfasst: das Erzeugen, mit einem linear rückgekoppelten Schieberegister (LFSR), eines LFSR-Zustandssignals gemäß dem variablen Taktsignal und einem Referenzoszillatorsignal.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei: das Erzeugen des variablen Taktsignals ferner Folgendes umfasst: Erzeugen eines Zählersignals gemäß dem variablen Taktsignal und dem Referenzoszillatorsignal; Erzeugen eines LFSR-Aktivierungssignals gemäß dem Zählersignal; und Erzeugen eines Frequenzauswahlsignals gemäß dem LFSR-Zustandssignal und dem Zählersignal; wobei das Erzeugen des LFSR-Zustandssignals ferner in Übereinstimmung mit dem LFSR-Aktivierungssignal ist; und das Erzeugen des variablen Taktsignals ferner in Übereinstimmung mit dem Frequenzauswahlsignal ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: das Anregungssignal eine Rechteckwelle umfasst; der Sensor ein Mikromechanisches System(MEMS)-Element umfasst; und das MEMS-Element einen ersten druckempfindlichen Kondensator umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: der Sensor ferner eine Kapazitätsbrücke umfasst; die Kapazitätsbrücke ein Paar von Brückenabschnitten umfasst, von denen jeder jeweils einen druckempfindlichen Kondensator und einen Referenzkondensator umfasst, die an einem Ausgangsknoten miteinander gekoppelt sind; eine Kapazität des druckempfindlichen Kondensators stärker druckabhängig variiert als eine Kapazität des Referenzkondensators; und das Antwortsignal Ausgangssignale des Paares von Brückenabschnitten umfasst.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei: sich die Kapazität des Referenzkondensators relativ zu einer temperaturabhängigen Änderung der Kapazität des druckempfindlichen Kondensators nach einer bekannten Beziehung temperaturabhängig ändert.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Kombinieren der Vielzahl digitaler Abtastungen zumindest eines aus den Folgenden umfasst: Mittel erster digitaler Abtastungen der Vielzahl digitaler Abtastungen und/oder Berechnen eines Medianwerts der ersten digitalen Abtastungen.
Messschaltung, welche einen Sensor umfasst, wobei die Messschaltung konfiguriert ist, um: ein Antwortsignal als Antwort auf ein Anregungssignal zu erzeugen; ein Abtasttaktsignal gemäß einem Pseudozufallsjitter zu erzeugen; das Antwortsignal gemäß dem Abtasttaktsignal abzutasten, um ein Vielzahl digitaler Abtastungen zu bestimmen; und die Vielzahl digitaler Abtastungen zu kombinieren, um eine Messabtastung zu bilden.
Messschaltung nach Anspruch 10, welche ferner konfiguriert ist, um: ein variables Taktsignal zu erzeugen, welches eine variable Taktfrequenz aufweist, die gemäß einer Schaltfrequenz umgeschaltet wird, wobei eine Periode des Abtasttaktsignals ein ganzzahliges Vielfaches einer Periode des variablen Taktsignals ist.
Messschaltung nach Anspruch 11, wobei: der Sensor eine unterkritisch gedämpfte Antwort aufweist; die Schaltfrequenz nicht weniger als 0,9-mal eine mechanische Resonanzfrequenz des Sensors ist; und die Schaltfrequenz nicht größer als 1,1-mal die mechanische Resonanzfrequenz des Sensors ist.
Messschaltung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, welche ferner ein linear rückgekoppeltes Schieberegister (LFSR) umfasst, das konfiguriert ist, um ein LFSR-Zustandssignal gemäß dem variablen Taktsignal und einem Referenzoszillatorsignal zu erzeugen.
Messschaltung nach Anspruch 13, wobei: die Messschaltung ferner konfiguriert ist, um: ein Zählersignal gemäß dem variablen Taktsignal und dem Referenzoszillatorsignal zu erzeugen; das variable Taktsignal gemäß einem Frequenzauswahlsignal zu erzeugen; ein LFSR-Aktivierungssignal gemäß dem Zählersignal zu erzeugen; und das Frequenzauswahlsignal gemäß dem LFSR-Zustandssignal und dem Zählersignal zu erzeugen; und wobei das LFSR ferner konfiguriert ist, um das LFSR-Zustandssignal gemäß dem LFSR-Aktivierungssignal zu erzeugen.
Messschaltung nach einem der Ansprüche 10–14, wobei: das Anregungssignal eine Rechteckwelle umfasst; der Sensor ein Mikromechanisches System(MEMS)-Element umfasst; und das MEMS-Element einen ersten druckempfindlichen Kondensator umfasst.
Messschaltung nach einem der Ansprüche 10–15, wobei: der Sensor ferner eine Kapazitätsbrücke umfasst; die Kapazitätsbrücke ein Paar von Brückenabschnitten umfasst, von denen jeder jeweils einen druckempfindlichen Kondensator und einen Referenzkondensator umfasst, die an einem Ausgangsknoten miteinander gekoppelt sind; eine Kapazität des druckempfindlichen Kondensators stärker druckabhängig variiert als eine Kapazität des Referenzkondensators; und das Antwortsignal Ausgangssignale des Paars von Brückenabschnitten umfasst.
Messschaltung nach Anspruch 16, wobei sich die Kapazität des Referenzkondensators relativ zu einer temperaturabhängigen Änderung der Kapazität des druckempfindlichen Kondensators nach einer bekannten Beziehung temperaturabhängig ändert.
Messschaltung nach einem der Ansprüche 10–17, wobei die Messabtastung zumindest eines aus dem Folgenden umfasst: einen Mittelwert erster digitaler Abtastungen der Vielzahl digitaler Abtastungen und/oder einen Medianwert der ersten digitalen Abtastungen.
Messvorrichtung, umfassend: einen Sensor; einen Analog-Digital-Wandler (ADC), der mit einem Ausgang des Sensors gekoppelt ist, wobei der ADC Folgendes umfasst: einen Pseudozufallssequenzgenerator; und einen ersten Oszillator, der einen Eingang umfasst, der mit einem Ausgang des Pseudozufallssequenzgenerators gekoppelt ist; und einen Filter, der einen Eingang umfasst, der an einen Ausgang des ADCs gekoppelt ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 19, wobei: der ADC einen Frequenzteiler umfasst, der zwischen einem Ausgang des ersten Oszillators und dem Filtereingang gekoppelt ist; und der Filter einen Tiefpassfilter umfasst.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 oder 20, wobei der Pseudozufallssequenzgenerator ferner ein linear rückgekoppeltes Schieberegister (LFSR) umfasst.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 19–21, wobei: der Pseudozufallssequenzgenerator ferner einen Zähler und ein Logiknetzwerk umfasst; der Zähler Folgendes umfasst: einen Zählerrücksetzungseingang, der mit einem Ausgang eines Referenzoszillators gekoppelt ist; und einen Zählertakteingang, der mit dem ersten Oszillatorausgang gekoppelt ist; der LFSR Folgendes umfasst: einen Aktivierungseingang, der mit einem Ausgang des Zählers gekoppelt ist; einen LFSR-Rücksetzungseingang, der mit dem Referenzoszillatorausgang gekoppelt ist; einen LFSR-Takteingang, der mit dem ersten Oszillatorausgang gekoppelt ist; und einen LFSR-Ausgang, der mit dem ersten Oszillatoreingang gekoppelt ist; und das Logiknetzwerk Folgendes umfasst: einen ersten Logikeingang, der mit dem Zählerausgang gekoppelt ist; einen zweiten Logikeingang, der mit dem LFSR-Ausgang gekoppelt ist; einen ersten Logikausgang, der mit dem Aktivierungseingang des LFSRs gekoppelt ist; und einen zweiten Logikausgang, der mit dem ersten Oszillatoreingang gekoppelt ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 19–22, welche ferner einen Rechteckwellengenerator umfasst, wobei: der Rechteckwellengenerator einen Ausgang umfasst, der mit einem Eingang des Sensors gekoppelt ist; der Sensor ein Mikromechanisches System(MEMS)-Element umfasst, das eine unterkritisch gedämpfte Antwort aufweist; und das MEMS-Element einen ersten druckempfindlichen Kondensator umfasst.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 19–23, welche ferner eine Kapazitätsbrücke umfasst, wobei: die Kapazitätsbrücke einen ersten Brückenabschnitt und einen zweiten Brückenabschnitt umfasst; der erste Brückenabschnitt einen ersten druckempfindlichen Kondensator und einen ersten Referenzkondensator umfasst, die an einem ersten Ausgangsknoten der Kapazitätsbrücke miteinander gekoppelt sind; und der zweite Brückenabschnitt einen zweiten druckempfindlichen Kondensator und einen zweiten Referenzkondensator umfasst, die an einem zweiten Ausgangsknoten der Kapazitätsbrücke miteinander gekoppelt sind, wobei: eine Kapazität des ersten druckempfindlichen Kondensators stärker druckabhängig variiert als eine Kapazität des ersten Referenzkondensators; eine Kapazität des zweiten druckempfindlichen Kondensators stärker druckabhängig variiert als eine Kapazität des zweiten Referenzkondensators; und der erste Ausgangsknoten und der zweite Ausgangsknoten der Kapazitätsbrücke mit dem ADC gekoppelt sind.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 19–24, wobei die Messvorrichtung ein Volumen einnimmt, das nicht größer als 10 Kubikmillimeter ist.