KR20130118303A

KR20130118303A - Mems 관성 센서용 인터페이스

Info

Publication number: KR20130118303A
Application number: KR1020137006355A
Authority: KR
Inventors: 아이만 엘사예드; 아메드 엘말라; 아메드 엘쉐나위; 아메드 샤반; 보트로스 게오르게; 무스타파 엘마라; 아이만 이스마일; 무스타파 사크르; 아메드 무크타르
Original assignee: 시-웨어 시스템즈 인코퍼레이티드
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-10-29
Also published as: CN103119723A; US9013233B2; WO2012035439A3; EP3051256A3; EP2616782A2; US8508290B2; US20120235726A1; CN103119723B; EP3051256B1; EP3051256A2; US20120235725A1; JP2013542411A; CN106289221A; EP2616782B1; EP2616782A4; WO2012035439A2; US20120235724A1; US8476970B2; CN106289221B

Abstract

본 발명은 마이크로 전자 기계(MEMS) 관성 센서용 고성능 인터페이스 회로를 기술한다. 일 양태에 따르면, 작동 및 검출 경로 양쪽의 다이나믹 레인지가 최대가 되게 하고 여기 신호와의 혼합에 기인한 작동 비트 스트림의 고주파 성분의 폴딩을 방지 가능하게 작동 신호 비트 스트림을 제어하는데 여기 신호(용량 변화를 검출하는데 사용됨)를 사용한다. 다른 양태에서, 작동 신호 천이 동안 검출 회로 및 MEMS 검출 전극의 적어도 하나 및 바람직하게는 양쪽의 디스에이블/리세트를 행함으로써 작동 신호와 검출 신호 사이의 커플링의 영향을 극복할 수 있다. 또 다른 양태에서, 복조된 신호가 낮은 DC 성분을 갖도록, 감지 및 드라이브 비트 스트림의 위상 조정이 부여된다. 미세 위상 조정은, 약간 상이한 중심 주파수를 가져서 약간 상이한 지연을 갖도록 감지 및 드라이브 경로 내에 필터를 구성함으로써 달성될 수 있다.

Description

MEMS 관성 센서용 인터페이스{INTERFACE FOR MEMS INERTIAL SENSORS}

본원은 2010년 9월 14일 출원된 "SELF-CLOCKED ASIC INTERFACE FOR MEMS INERTIAL SENSORS"의 발명의 명칭을 갖는 미국 출원 61/382,898에 의거하여 우선권을 주장하며, 그 전문은 참조로서 여기에 포함된다.

마이크로 전자 기계(MEMS) 관성 센서의 많은 적용 분야에서는 고성능 ASIC 인터페이스가 필요하다. 기존의 인터페이스 기술은 다양한 면에서 완전히 만족스러운 것은 아니다.

예를 들면, 드라이브 루프(drive loop)가 존재하는 피드백(예를 들면, 포스 피드백) 시스템에서, 감지 루프(sense loop) 및 드라이브 루프 양쪽에서 용량 변화를 검출하는데 여기 신호(excitation signal)가 필요하다. 여기 신호는, 예를 들면 MEMS 센서의 검사 질량체(proof mass)(또는 검사 질량체들)에 가해진 작동에 영향을 주어서는 안 된다. 그러나, 여기 신호가 검사 질량체에 인가되고 작동 커패시터가 검출 커패시터와 동일한 검사 질량체를 공유하므로, 이에 따라 여기 신호가 작동 신호 콘텐츠 및 다이나믹 레인지에 영향을 준다.

또 다른 문제는, 하나의 채널의 작동 스트림과 동일 채널 또는 심지어 상이한 채널의 검출 경로와의 사이에 일어날 수 있는 원하지 않는 커플링(예를 들면, 감지 모드-감지 모드 커플링 또는 감지 모드-드라이브 모드 커플링 등)에 관한 것이다. 이러한 커플링은 신호를 왜곡할 수 있으며, 결과적으로 검출 프론트 엔드 회로의 성능을 심각하게 저하시키게 된다. 이 영향은, 기생 용량 및 프로세스 불일치의 복합적인 영향이 검출 용량 변화의 정도가 되기 때문에, 감지 모드에서 과대해지게 된다.

다수의 해결책이 이 커플링 문제를 해결하기 위해 제안되어 있다. 일부 해결책은 작동과 검출 사이의 주파수 분리에 의존하고(상이한 채널간 커플링일 경우에만 작용), 다른 해결책은 커플링 전달 함수를 추정하고 후속 단계에서 이 영향을 보상하는 것에 의존한다(디지털 도메인 신호 처리에서 또는 복잡함을 감수하고 아날로그 도메인에서). 다른 제안들로는, 작동 신호 레벨의 저감(작동 다이나믹 레인지가 줄어들게 됨), 또는 불일치를 보상하는 수동 트리밍(trimming)을 포함한다.

드라이브 루프가 존재하는 피드백(예를 들면, 포스 피드백(force-feedback)) 시스템에서, 감지 신호는 드라이브 신호의 주파수에서 AM 변조된 원하는 센서 입력 신호를 포함할 수 있다. 따라서, 원래의 신호를 얻기 위해 비트 스트림을 복조하기 위해서는, 멀티플라이어(multiplier)를 이용해 드라이브 신호와 감지 신호를 승산해서, 복조된 출력 신호를 얻는다. 복조 신호가 가능한 한 낮은 DC 성분을 갖게 하기 위해서는, SNS와 DRV 비트 스트림 사이의 정확한 위상 조정이 필요할 수 있다. 일반적으로 이 위상 조정을 달성하기 위한 다양한 접근 방식은 전력 및/또는 에어리어 패널티를 초래한다.

따라서, MEMS 관성 센서에 인터페이싱하는 향상된 인터페이스가 요구되고 있다.

개요

이 특허 개시는 폐 루프 구성에 포함하는 진동 MEMS 자이로스코프 및 가속도계 등의 MEMS 관성 센서와 인터페이싱하는 ASIC 또는 다른 회로를 설명한다. 폐 루프 구성은 열악한 환경에서 최선의 성능을 제공하다. MEMS 작동 및 검출 신호의 다이나믹 레인지를 확장하고, MEMS 모듈의 전극 사이의 커플링을 무효화하고, 향상된 복조를 위해 감지 및 드라이브 루프 사이의 미세 위상 튜닝의 달성을 고려한 기술을 포함하는 센서 인터페이스 성능을 향상시키는 기술을 설명한다.

도 1은 본 인터페이스 기술이 사용될 수 있는 회로(예를 들면, ASIC)의 아키텍처의 블록도.
도 2a는 도 1의 ASIC의 드라이브 루프의 도면.
도 2b는 도 1의 ASIC의 감지 루프의 도면.
도 3은 감지 루프 및 드라이브 루프의 검출 회로와 함께 MEMS 전기 모델의 도면.
도 4는 고주파 성분을 나타내는 샘플 작동 스펙트럼의 신호도.
도 5는 작동 및 검출 파형 및 결과의 유효 작동력을 나타내는 파형도.
도 6은 여기 신호가 작동 신호의 형태를 제어하는 변형된 작동 기술을 예시하는 MEMS 전기 모델의 도면.
도 7은 도 6의 실시형태에 따른 변형된 작동 및 검출 파형 및 결과의 유효 작동력을 나타내는 파형도.
도 8은 RZ(return-to-zero) 옵션에 따른 파형을 나타내는 도 7과 마찬가지인 파형도.
도 9는 작동 경로로부터 검출 경로에 의도하지 않은 커플링을 예시하는 도면.
도 10은 추가된 리세트 신호(RST)와 함께 작동 및 여기 신호를 나타내는 파형도.
도 11은 검출 회로(C/V SNS 및 C/V DRV), 및 MEMS 전극에 인가된 리세트 신호(RST)를 나타내는 도면.
도 12는 도 10의 리세트 신호와 함께 사용되는 도 7의 변형된 작동 및 검출 파형을 예시하는 파형도.
도 13은 RZ(return-to-zero) 옵션에 따른 파형을 나타내는 도 12와 마찬가지인 파형도.
도 14는 도 1의 회로의 복조부의 블록도.
도 15는 도 14의 필터의 크기 및 위상 응답을 나타내는 도면.
도 16은 도 15의 밴드패스 필터의 오프셋에 대한 필터 중심 주파수의 함수로서의 위상 시프트의 도면.

본 발명은 첨부된 도면과 함께 다음과 상세한 설명으로부터 가일층 이해될 수 있다.

설명

도 1에, 예시적인 ASIC의 시스템 아키텍처를 나타낸다. 기능적으로, 이 시스템은 다음과 같이 주요 블록으로 나뉠 수 있다.

1 - MEMS 센서 인터페이스 회로(110, 120, 130)

회로 중 이 부분은 감지 작동(SNS ACT) 스위치(121) 및 드라이브 작동(DRV ACT) 스위치(111)를 통해 MEMS 센서의 감지 전극 및 드라이브 전극을 위한 작동 전압을 각각 제공한다. 또한, 블록(130)(PM EXC)은 드라이브 루프 및 감지 루프 양쪽에서 용량 감지 회로에 의해 필요한 검사 질량체 여기 전압을 제공한다. 마지막으로, 감지 용량-전압 컨버터(123)(C/V SNS) 및 드라이브 용량-전압 컨버터(113)(C/V DRV)는 해당 루프에서의 용량-전압 감지를 행한다.

2 - MEMS 센서 드라이브(DRV) 루프(110) :

도 2a를 참조하면, 드라이브 루프(110)는 MEMS 센서의 드라이브 공진기(119)(기계적 요소, 예를 들면 부유형 질량체를 포함)(119)의 발진 조건을 달성하는데 필요한 위상 시프트(115A)뿐만 아니라, 기계적 요소의 발진의 진폭을 제어하는 자동 이득 컨트롤(115B)(AGC)을 내장한다. 예시된 실시형태에서, ADC(117)(예를 들면 밴드패스 시그마 델타 변조기로서 구현될 수 있음)는 회로(113)로부터 출력된 드라이브 루프 C/V를 MEMS 센서 드라이브 발진 신호의 단일 비트 판독으로 변환한다.

3 - MEMS 센서 감지(SNS) 루프(120) :

도 2b를 참조하면, 예시된 실시형태에서, MEMS 센서는 감지 공진기(129)(기계적 요소, 예를 들면 부유형 질량체를 포함)를 포함한다. 감지 공진기(129)는 감지되는 입력 신호 및 감지 작동 스위치(121)의 피드백 신호 출력에 의해 작동한다. 이하에서 더 구체적으로 설명하는 바와 같이, 예시된 실시형태에서, 블록(130)(도 1)에 의해 출력된 여기 신호(EXC)는 드라이브 공진기(119) 및 감지 공진기(129) 양쪽에 인가된다.

감지 루프(120)는 감지 공진기(129)의 기계적 요소의 피드백(예를 들면, 포스 피드백) 움직임 제어를 행하고, 디지털 출력 판독을 제공하다. 이는, 감지 모드를 위한 전기 기계 시그마 델타 변조기(120')를 이용한 폐 루프 피드백(예를 들면, 포스 피드백)을 구현함으로써 달성된다. 또한, ASIC는 개 루프 모드에서 동작하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 감지 루프는 개방되고(도 1에서 스위치(129)), 전자 필터 H_X(z)의 계수가 변경되어, 전자 필터(125)는 시그마 델타 ADC로서 동작한다.

4 - 디지털 처리 코어(도 1에서 140) :

디지털 처리 코어(140)는 드라이브 및 감지 루프(110, 120) 양쪽의 시그마 델타 변조기의 출력을 데시메이트 및 필터링하고(141), 최종 감지 신호 복조 동작(143)을 행한다. 또한, 디지털 처리 코어(140)는 MEMS 센서 판독의 온도 보상(145)을 행하고, SPI 인터페이스(150)를 제어한다. 일 측면에서, 디지털 처리 코어(140)는 정전 작동 컨트롤러(140)로서 기능한다. 또한, 디지털 처리 코어(140)는, 후술하는 바와 같이 작동 신호의 원하지 않는 커플링을 저감하는데 이용되는 리세트 신호, 디스에이블 신호, 또는 전력 다운 신호를 출력할 수 있다.

5 - 전력 관리(도 1에서 160) :

이 블록은 다른 회로 블록들에 필요한 모든 바이어스 전류 및 공급 전압을 제공한다. 또한, 필요한 고전압 작동 레퍼런스 신호를 발생시킨다. 예시된 실시형태에서, ADC(117, 125) 및 MEMS 센서 여기 및 작동(111, 121, 130)을 위해, 밴드 갭 레퍼런스 전압 Vref(161)가 발생 및 버퍼링된다(163, 165). 전력 관리 블록(160)은 또한 ROM(170)의 동작에 필요한 전압의 발생을 담당한다. 예시된 실시형태에서, 차지 펌프(180)가 이 목적을 위해 사용된다.

6 - 온도 감지 시스템(도 1에서 185) :

이 블록은 다이 온도를 감지하고 이를 디지털 판독으로 변환한다.

7 - 클로킹 PLL(도 1에서 190)

PLL은 시스템의 마스터 클록을 발생시킨다.

ASIC 자기 클로킹( ASIC Self - Clocking )

일 실시형태에서, ASIC 자기 클로킹 기술이 사용된다. 이 기술은 ASIC의 다른 MEMS 센서 모듈에의 인터페이싱을 단순화한다.

피드백(예를 들면, 포스 피드백) 동작은, MEMS 센서 프로세스 변화에 대한 시스템 민감도를 줄이고, 대역폭을 증가시키고, 매칭된 모드의 동작을 가능하게 한다. 따라서, 폐 루프 구성은 열악한 환경에서 최선의 성능을 달성할 수 있다. 피드백(예를 들면, 포스 피드백) 루프 필터의 일부로서 MEMS 센서를 내장하는 것은 기계 필터에 의해 표현되는 연속 시간(CT) 부분 및 전자 필터에 의해 표현되는 이산 시간(DT) 부분을 갖는 하이브리드 전자 기계 ΣΔ 변조기로 시스템을 변환한다. 기계 필터의 CT 특징은 ΣΔ 변조기 성능이 정확한 피드백 펄스 형태에 민감하게 한다. 이러한 이유로, 포스 피드백을 이용한 최선의 성능에 낮은 지터 클록(jitter clock)이 필요하다.

도 1의 ASIC는 시스템 클록을 발생시키는데 PLL(190)을 사용한다. ASIC PLL(190)을 위한 클린 레퍼런스 클록을 발생시키는데, (예를 들면, 드라이브 공진기(119)의) MEMS 센서 발진의 하이 Q 공진(high Q resonance)이 사용되어, ASIC 출력에서 노이즈 플로어(noise floor)가 낮아지게 한다. 따라서, ASIC PLL(190)은 레퍼런스 클록으로서 외부 크리스털을 필요로 하지 않으며, ASIC는 자기 클로킹으로 된다. MEMS 센서 기반의 레퍼런스 클록을 사용하면 시스템 샘플링 주파수와 기계 드라이브 공진 주파수(예를 들면, 코리올리(Coriolis) 신호 반송파) 사이의 비율을 고정할 수 있다. 따라서, 이러한 구성은 광범위한 MEMS 센서 모듈에의 인터페이싱을 가능하게 한다. 보다 구체적으로는, ASIC에서의 자기 클로킹 기술은 드라이브 루프(110), 감지 루프(120) 및 DSP 블록(140)이 MEMS 센서의 주파수를 트랙킹(tracking)할 수 있게 한다. 따라서, ASIC는 광범위한 MEMS 센서 주파수에 인터페이싱할 수 있다.

상술한 도 2의 드라이브 루프는 PLL(190)과 연계하여 셀프 클록킹을 가능하게 한다. ASIC는 자기 클로킹되므로, ADC 샘플링 주파수는 ADC(117)의 샘플링 주파수를 제어하는 PLL(190)을 통해 MEMS 센서 공진 주파수에 고정된다.

MEMS 센서 감지 루프에 의해, ASIC의 낮은 지터 자기 클로킹을 이용할 수 있다. 예시된 실시형태에서, 자기 클로킹된 ASIC의 낮은 지터 클로킹이 CT 피드백(예를 들면, 포스 피드백) 동작에 대해 보다 양호한 SNR을 실현하므로, 상술한 도 2b의 MEMS 센서 감지 루프가 연속 시간 ΔΣ 변조에 의거하여 구현될 수 있다. 예를 들면, 예시된 감지 루프는 스위치 캡(switch-cap) 전자 필터(125)를 이용하여 4차 전자 기계 ΔΣ 변조기를 구현함으로써 실현된다. 변조기 아키텍처는 루프를 안정시키는 피드백 분기(feedback branch)를 갖는 피드-포워드 토폴로지에 기반할 수 있다. 출력에 나타나는 노이즈 플로어는, 연속 시간 ΔΣ 동작에 대한 낮은 지터 클로킹의 영향이 최소화됨으로써 최소화된다. 또한, ASIC는 PLL(190)의 프로그래머블 디바이더를 이용함으로써 다수의 MEMS 센서 모듈에 인터페이싱할 수 있다.

상술한 도 1의 디지털 처리 코어(140)는 드라이브 및 감지 루프(110, 120) 양쪽의 ΔΣ 변조기의 출력을 필터링하고 복조기(143)를 이용하여 최종 출력의 복조를 행한다. 복조 출력은 프로그래머블 데시메이션 필터(141)를 이용하여 데시메이션된다. MEMS 센서의 공진 주파수를 중심으로 하는 2개의 밴드패스 필터(도 14에서 1405)는, 드라이브 루프와 감지 루프를 복조를 위해 승산하기 전에 드라이브 및 감지 루프 양쪽의 노이즈를 필터링해서 관심 밴드에 양자화 노이즈의 혼합 및 다운 컨버전을 피한다. 밴드패스 필터(1405) 각각의 극점(pole) 및 영점(zero)은 샘플링 주파수(MEMS 센서 모듈에 의존함)로 조정되고, 따라서 중심 주파수가 MEMS 센서 공진 주파수의 변화와 함께 올바르게 튜닝된다.

향상된 다이나믹 레인지를 갖는 작동 기술

예시된 실시형태에서, 여기 신호(EXC)(도 1)는, 드라이브 공진기(119) 및 감지 공진기(129) 양쪽에 인가되고, 감지 및 드라이브 루프(120, 110) 양쪽에서의 용량 변화의 검출에 필요하다. 이 여기 신호는 작동 신호(SNSACT, DRVACT)의 효과를 저하시켜서는 안 된다.

도 3은, 예를 들면 전극의 배치를 나타내는 완전 차동 MEMS 센서의 경우를 예시하고 있다. 감지 루프에서, 감지 공진기(도 2b에서 129)와 연관된 가변 용량은 "Pi"의 구성으로 배치된다. 제 1 및 제 2 작동 커패시터(Ca1 및 Ca2)는 Pi의 아암에 배치되고, 감지 커패시터(Cs1 및 Cs2)는 Pi의 레그에 배치되며 감지 C/V 컨버터(123)의 입력에 커플링된다. 여기 신호(EXC)(검사 질량체 전압(V_PM)이라고도 함)는 Pi의 아암 사이에 인가된다. 유사한 구성이 드라이브 공진기 및 드라이브 루프에 적용된다.

여기 신호(EXC)가 각각의 공진기 검사 질량체에 추가되고 작동 커패시터(Ca)가 검출 커패시터(Cs)와 동일한 검사 질량체를 공유하므로, 여기 신호가 작동 신호 콘텐츠 및 다이나믹 레인지에 영향을 준다.

다음의 정전 작동 기술에서, 여기 신호(용량 변화를 검출하는데 사용됨)는, 작동 경로 및 검출 경로의 다이나믹 레인지가 최대가 될 수 있게 하고 여기 신호와의 혼합으로 인한 작동 비트 스트림의 고주파 성분의 폴딩(folding)을 방지하도록, 작동 신호 비트 스트림의 값을 제어하는데 이용된다.

예시된 실시형태에서, 여기 신호에 응답하여 발생된 정전 작동력은 다음 식에 따라 산출될 수 있으며, 여기에서 여기 신호(EXC)는 V_pm으로서 표시된다.

식 (2)에서, 세 번째 항은 여기 신호와의 혼합으로 인해 작동 다이나믹 레인지의 저하 및 작동 신호의 고차 성분의 폴딩을 야기할 것이다. 도 4는 샘플 작동 스트림의 결과의 고차 성분의 예를 나타낸다.

과거의 시스템은 일반적으로 PM 신호 레벨(V_pm)과 작동 전압 레벨 사이에서 타협하도록 설계되었으며, 이는 V_pm 값이 줄면 검출 다이나믹 레인지를 줄이거나 V_pm 값이 증가하면 작동 다이나믹 레인지를 줄이게 된다. 도 5는 하나의 작동 및 검출 방식의 파형을 나타낸다. 이 예에서, 작동 신호는 전압 레벨(V_ref1)을 가지는 것으로 상정되는 한편, 여기 신호는 전압 레벨(V_ref2)을 가지는 것으로 상정된다. V_ref1=V_ref2이면, 효과적인 작동력 다이나믹 레인지는 제로이다(정(positive)과 부(negative)의 스트림은 동일한 파형을 가짐).

작동 및 검출 다이나믹 레인지간의 타협으로서 V_ref1=V_ref 및 V_ref2=V_ref/2를 상정하면, 작동 및 검출 다이나믹 레인지 양쪽에 6dB의 열화가 있게 된다.

이러한 다이나믹 레인지의 손상을 피하기 위해, 작동 신호의 값은 도 6에 나타낸 바와 같이 PM 신호의 전류 값에 따라 제어될 수 있다. 블록(600)은 디지털 처리 및 레퍼런스 발생을 행하고 도 1의 블록(140 및 160)에 대응할 수 있다. 블록(600)은 감지 및 드라이브 비트 스트림(SNS, DRV)을 받는다. 이 블록은 또한, 작동 신호를 조정하도록 여기 신호(V_PM)를 입력 신호로서 이용한다. 감지 및 드라이브 비트 스트림에 응답하고 여기 신호(V_PM)를 고려하면, 블록(600)은 작동 신호, 예를 들면 작동 신호(Vsaet+/Vsact- 및 Vdact+/Vdact)를 출력한다. 표기 Vact+, Vact-는 일반적으로 이러한 4개의 작동 신호를 인용하는데 이용된다.

구형파 여기 신호에 대해, 작동 신호 비트 스트림은 PM 신호와 논리적으로 조합(예를 들면, 배타적 논리합(XOR) 또는 배타적 부정 논리합(XNOR))될 수 있다. 도 7은 작동 신호(Vact+, Vact-), 여기 신호 및 결과의 정전력 성분(상기 방정식 (1)에서 첫 번째 항과 두 번째 항)의 파형을 나타낸다. 도 7에서, 작동 비트 스트림은 신호 PM(V_pm)과 배타적 논리합되어 Vact+를 생성하는 한편, 작동 비트 스트림은 PM 신호와 배타적 부정 논리합되어 Vact-를 생성한다. 도 7에서, 고주파수 성분의 폴딩이 일어나지 않고(즉, 작동 신호의 콘텐츠는 그대로 유지됨), 작동력 및 여기 신호 양쪽이 레퍼런스 전압의 전체 다이나믹 레인지에 의해 표시되는 것을 알 수 있다.

도 8은 DAC의 선형성을 향상시키는 연속 시간 작동에서 사용될 수 있는 추가 리턴-투-제로(Return-to-Zero)(RZ) 옵션을 갖는 작동 및 검출 파형을 나타낸다. 블록(600)은, 일 측면에서, 작동 신호에 리턴-투-제로 인코딩을 적용하기 위한 회로(또는 수단)로서 간주될 수 있다.

여기 신호의 값에 따라 작동 스트림을 제어함으로써, 다음의 이점을 얻을 수 있다:

- AC 구형파 여기를 가능하게 함

- 여기를 작동에 투과성 있게 함

- 신호 폴딩을 제거

- 이용 가능한 작동 다이나믹 레인지를 최대화

- 이용 가능한 검출 다이나믹 레인지를 최대화

- 보다 작은 공급 전압을 가능하게 함

작동 신호 커플링 무효화

피드백(예를 들면, 포스 피드백) 시스템에서, 검사 질량체에 특정 움직임을 생성하도록 작동 스트림이 작동 전극에 인가된다(이 피드백은 정의 피드백 루프 또는 부의 피드백 루프일 수 있음). 이상적으로는, 작동 전압은 기계적 요소의 응답 특성에 따라 기계적 요소에 영향을 줄 것이다.

불일치 및 기생 용량의 프로세스에 기인하여, 작동 비트 스트림은 도 9에 나타낸 바와 같이 검출 회로에 직접 커플링될 수 있다. 의도하지 않은 커플링 경로(Ccopl 및 Ccop2)는 Vact+ 신호로부터 Cs1 및 Cs2 신호에 각각 커플링한다. 마찬가지로, 의도하지 않은 커플링 경로(Ccom1 및 Ccom2)는 Vact-로부터 Cs1 및 Cs2 신호에 각각 커플링한다. 이 커플링은 일 채널의 작동 스트림과 동일 채널, 또는 심지어 다른 채널의 검출 경로 사이에 일어날 수 있다(예를 들면, SNS 모드-SNS 모드 커플링 또는 SNS 모드-DRV 모드 커플링)

이러한 커플링 경로가 신호를 왜곡할 수 있고, 검출 프론트-엔드 회로의 성능의 심각한 저하를 가져올 수 있음은 분명하다. 이 영향은, 기생 용량/프로세스 불일치가 검출 용량 변동(예를 들면, 도 9의 Cs1, Cs2) 정도이기 때문에, SNS 모드에서 과대해진다.

이러한 커플링의 영향은 도 11에 나타낸 바와 같이, 예를 들면 도 10 나타낸 리세트 신호(RST)를 이용하여, 작동 신호 천이 동안 검출 회로와 MEMS 검출 전극의 적어도 하나 또는 바람직하게는 양쪽의 디스에이블/리세트를 행함으로써 극복될 수 있다. 더 일반적으로, 제어 신호는 선택된 회로 소자를 리세트, 디스에이블, 또는 전력 다운에 이용될 수 있다. 또한, 아날로그 스위치(SWs 및 SWd)는 MEMS 센서의 감지 전극과 MEMS 센서의 드라이브 전극 사이에 설치된다. 리세트 신호(RST)는 스위치(SWs 및 SWd)를 제어하여, 리세트 신호가 발휘될 때, 스위치(SWs 및 SWd)를 닫히게 하는데 이용된다. 검출 회로(113, 123) 및 MEMS 전극의 리세트는 작동 신호의 기생 커플링 경로의 영향을 무효화한다.

리세트 펄스(RST)가 있는 데서 여기 신호 에지의 검출을 가능하게 하기 위해서, 여기 신호와 작동 신호 에지 사이의 시간 불일치(도 12에서 t_mismatch)를 도입할 수 있다. 또한, 전술한 커플링 무효화 기술은 앞서 기술한 다이나믹 레인지 향상 기술과 함께 이용될 수 있다. 결과 파형을 도 12에 나타낸다. 도 13은 샘플 타이밍도이며, 여기에서 1) 작동 및 검출 신호 사이의 타이밍의 불일치가 추가되고, 2) 앞서 기술한 바와 같이 RZ를 갖는 XOR 작동이 적용되고, 3) 검출 전극 및 회로에 대한 리세트/디스에이블 펄스 RST가 XOR 작동을 위한 작동 신호 에지 주위에 부가된다.

피드백(예를 들면, 포스 피드백) 시스템에서 작동과 검출 사이의 기생 경로의 영향을 무효화하는 전술한 기술을 이용하면, 다음의 이점을 얻을 수 있다.

- ΣΔ 작동 신호를 가능하게 함

- 작동 신호와 다른 검출 채널 사이의 커플링을 제거함

- 이용 가능한 작동 다이나믹 레인지를 최대화함

- 커플링된 신호를 감소시키기 위해 작동 신호를 감소시킬 필요를 피함

- 이용 가능한 검출 다이나믹 레인지를 최대화

- 검출 다이나믹 레인지가 검출 신호를 위해 완전히 할당 가능하게 함

- 복잡한 트리밍의 필요를 제거함

- 아날로그 또는 디지털 도메인에서의 복잡한 신호 처리의 필요를 제거함

감지와 드라이브 루프 사이의 미세 위상 튜닝을 갖는 복조

도 14 및 도 2b를 참조하면, SNS 루프 출력(도 2b에서의 출력)에서의 SNS 시그마 델타 비트 스트림(1401)은 DRV 신호 주파수에서 AM 변조된 입력 신호(도 2b에서 입력 신호)를 포함한다. 따라서, 원래의 신호를 얻기 위해 비트 스트림을 복조하기 위해서, DRV 및 SNS 신호(1401, 1402)는 도 14에 나타낸 바와 같이 신호 Demodulation Out을 얻기 위해 승산된다. 2개의 밴드패스 필터(BPF)(1405s 및 1405d)는 승산 전에 시그마 델타 노이즈를 제거하는데 사용될 수 있다. 가능한 한 낮은 DC 성분을 갖는 복조된 신호를 얻기 위해, SNS과 DRV 비트 스트림(1401, 1402) 사이의 위상 조정(도 14에서 1407)이 적용될 수 있다. 이 위상 조정은 SNS 비트 스트림(1401) 또는 DRV 비트 스트림(1402) 중 어느 하나에 지연을 부여함으로써 달성될 수 있다. 일 실시형태에서, 위상 조정(1407)은 프로그래머블 시프트 레지스터를 이용하여 구현될 수 있는, 즉 신호가 동작 클록 주기의 배수만큼 지연될 수 있다. 그러나, 이 기술은 시스템 클록 주기가 비교적 클 경우, 단지 거친 위상 시프트를 부여할 수 있다. 예를 들면, MEMS 센서의 공진이 3k㎐이고 시스템 클록 주파수가 400k㎐이면, 이 시프트 레지스터를 사용하여 추가될 수 있는 최소 위상 시프트는 다음과 같다.

필요한 위상 시프트가 약 87°일 경우, 시프트 레지스터 길이는 32비트보다 커야 한다. 위상 조정에서 미세 튜닝을 얻기 위해서는 클록 주파수가 커져야 하지만, 이는 시스템의 소비 전력 및 타이밍과 관련하여 설계의 복잡성을 증가시킨다. 또한, 필요한 위상 시프트를 얻기 위해 시프트 레지스터에 레지스터를 추가하면 에어리어가 커진다. 예를 들면, 필요한 위상 분해능이

이면, 클록 주파수가 4배 커져야 한다. 또한, 필요한 위상 시프트가 약 87°일 경우, 시프트 레지스터 길이는 이전 경우의 시프트 레지스터 길이의 4배인 128비트보다 커져야 한다.

상당한 전력 또는 에어리어 패널티를 입지 않고 정확한 위상 정렬을 얻기 위해서, BPFs(1405)(앞서 SD 노이즈를 제거하는데 사용됨)는 BPFs의 중심 주파수에 특정 오프셋을 도입함으로써 미세 위상 튜닝을 달성하도록 구성될 수 있다. 시프트 레지스터(1407)는 거친 튜닝을 위해 유지될 수 있다.

예를 들면, 도 1의 ASIC에서 사용될 수 있는 필터의 전달 함수가 도 15에 나타나 있다. 예시된 실시형태에서, 양쪽 필터가 MEMS 센서 공진을 중심으로 200㎐의 대역폭과 동일하다. 따라서, 각각의 필터에 의해 SNS 및 DRV 신호에 부여된 위상은 정확하게 동일한 위상이다. 위상 조정에 미세 튜닝을 부여하기 위해, 2개의 필터의 중심 주파수는 매우 작은 차이를 가지고 서로 다르게 될 수 있다. 도 15에 나타낸 바와 같이, 필터의 위상 응답은 중심 주파수에서 매우 날카롭다. 결과적으로, 드라이브(또는 감지) 필터의 중심을 약간 시프트함으로써 필요한 위상 시프트를 부여할 수 있다. 예를 들면, 필터들 중 하나의 중심 주파수를 약간 변경하는 것은 필터들 중 하나가 3k㎐에서 중심이 되는 반면, 다른 것이 3.01k㎐에서 중심이 되는 것을 의미한다. 따라서, 2개의 필터가 크기와 관련하여 대략 일치하는 반면, 필요한 값의 순 위상 시프트가 되도록 2개의 필터의 위상 시프트는 상이해질 것이다.

도 16에 나타낸 바와 같이, 필터의 중심 주파수가 10㎐ 상이할 경우에는, 두 필터 사이의 위상 시프트가 약 0.04rad(~2.7°)이다. 예시된 실시형태에서, 2.7°의 증분의 위상 시프트가 거친 튜닝에 의해 직접 부여될 수 있으므로(예를 들면 상술한 위상 시프트를 이용함), 2.7°는 필터에 의해 부여되는데 필요한 최대 위상 시프트이다. 따라서, 대략의 추정으로서, 예시된 실시형태에서, 2개의 필터의 중심 주파수는 2.7° 미만의 미세 위상 시프트를 얻기 위해 10㎐ 미만 상이할 수 있다.

일부 실시형태에서, 중심 주파수는 고정될 수 있다. 다른 실시형태에서, 중심 주파수는 조정 가능하다.

피드백(예를 들면, 포스 피드백) 시스템에서 감지와 드라이브 경로 사이의 미세 위상 조정을 달성하는 전술한 기술을 이용하여, 다음의 이점을 얻을 수 있다 :

- DC 성분이 낮은 복조된 출력을 얻을 수 있게 함

- 다른 접근 방법에 의해 부과되는 전력 및 에어리어 패널티를 피함

본 발명의 추가적인 양태는 부기 I 및 부기 II에서 제시된다.

또한, 본 발명은 사상 또는 그 본질적인 특징에서 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구형될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 전술한 설명은 한정이 아닌, 예시로서 간주되어야 한다. 본 발명의 범주는 상술한 설명이 아닌 첨부된 특허청구범위, 및 그 등가물의 범주의 범위 내의 것이 본 발명에 포함되게 되는 모든 변경에 의해 규정된다.

부기 I

1. 작동 신호 및 여기 신호를 발생시키고 감지 정보 신호를 수신하도록 구성된 정전 작동 컨트롤러, 및

감지 신호를 생성하는 MEMS 센서로부터의 신호에 응답하는 감지 용량-전압 컨버터를 포함하고,

정전 작동 컨트롤러는, 작동 신호의 적어도 일부 신호 천이 동안, 리세트, 디스에이블 또는 전력 다운을 하도록 제어 신호를 감지 용량-전압 컨버터에 인가하도록 구성되는, MEMS 센서와의 인터페이스싱을 위한 집적 회로.

2. 드라이브 신호를 생성하는 MEMS 센서로부터의 신호에 응답하는 드라이브 용량-전압 컨버터, 및

드라이브 신호 및 감지 신호에 커플링되며 감지 신호에 의해 반송된 감지 정보를 복조해서 감지 정보 신호를 생성하는 복조기를 포함하는 양태 1의 장치.

3. 정전 작동 컨트롤러는, 작동 신호의 천이가 시간(t_mismatch)만큼 여기 신호의 천이에 약간 앞서 일어나도록, 여기 신호 및 작동 신호의 타이밍을 설정하도록 구성되는 양태 1의 장치.

4. 정전 작동 컨트롤러는, 제어 신호의 천이에 응답하여 여기 신호가 비활성 상태에 천이되도록, 여기 신호 및 제어 신호의 타이밍을 설정하도록 구성되는 양태 1의 장치.

5. MEMS 센서에 의해 출력된 감지 신호에 응답하여, 질량체의 운직임에 의해 야기되는 용량의 변화를 감지하는 것,

질량체에 영향을 주기 위해 MEMS 센서에 인가되는 작동 신호, 및 MEMS의 적어도 하나의 감지 커패시터에 인가되는 여기 신호를 생성하는 것, 및

작동 신호의 적어도 일부의 신호 천이 동안, 제어 신호에 응답하여 상기 감지를 리세트, 디스에이블, 또는 전력 다운을 하는 것을 포함하는, 부유형 질량체를 포함하는 MEMS 센서와 인터페이싱하는 방법.

6. 작동 신호의 천이가 시간(t_mismatch)만큼 여기 신호의 천이에 약간 앞서 일어나도록 여기 신호 및 작동 신호의 타이밍을 설정하는 것을 포함하는 양태 5의 방법.

7. 제어 신호의 천이에 응답하여 여기 신호가 비활성 상태에 천이되도록 여기 신호 및 제어 신호의 타이밍을 설정하는 것을 포함하는 양태 5의 방법.

8. 여기 신호 및 추가 신호에 논리 연산을 적용하여 작동 신호를 얻는 것을 포함하는 양태 5의 방법.

9. 논리 연산은 XOR 및 XNOR 연산 중 하나인 양태 8의 방법.

10. 작동 신호에 리턴-투-제로 인코딩을 적용하는 것을 포함하는 양태 9의 방법.

11. 용량 변화의 감지는, 용량-전압 컨버터를 이용하여 행해지고, 제어 신호에 응답하여 용량-전압 컨버터를 리세트하는 것을 포함하는 양태 5의 방법.

12. 제어 신호에 응답하여 감지 신호를 기지(旣知)의 값으로 세트하는 것을 포함하는 양태 11의 방법.

13. 제어 신호에 응답하여 감지 신호를 기지의 값으로 세트하는 것을 포함하는 양태 5의 방법.

14. 상기 용량 변화의 감지는 용량-전압 컨버터를 이용하여 행해지고, 제어 신호에 응답하여 용량-전압 컨버터를 리세트하는 것을 포함하는 양태 13의 방법.

15. 감지 신호가 정의 신호 및 부의 신호를 포함하는 차동 신호이고, 정의 신호 및 부의 신호를 같게 설정하는 것을 포함하는 양태 13의 방법.

16. MEMS 센서에 의해 출력된 감지 신호에 응답하여 질량체의 움직임에 의해 야기된 용량 변화를 감지하는 감지 회로,

질량체에 영향을 주는 작동 신호 및 MEMS 센서의 적어도 하나의 감지 센서에 인가되는 여기 신호를 MEMS 센서에 인가하는 제어 회로, 및

작동 신호의 적어도 일부의 신호 천이 동안, 감지 회로를 리세트, 디스에이블 또는 전력 다운하도록 감지 회로에 제어 신호를 인가하는 회로를 포함하는, 부유형 질량체를 포함하는 MEMS 센서와 인터페이싱하는 집적 회로.

17. 제어 회로는 작동 신호의 천이가 시간(t_mismatch)만큼 여기 신호의 천이에 약간 앞서 일어나도록 여기 신호 및 작동 신호의 타이밍을 설정하도록 구성되는 양태 16의 장치.

18. 제어 회로 및 리세트 회로는 제어 신호의 천이에 응답하여 여기 신호가 비활성 상태에 천이되도록 여기 신호 및 제어 신호의 타이밍을 설정하도록 구성되는 양태 16의 장치.

19. 여기 신호 및 추가 신호에 논리 연산을 적용하여 작동 신호를 얻는 회로를 포함하는 양태 16의 장치.

20. 논리 연산은 XOR 및 XNOR 연산 중 하나인 양태 19의 장치.

21. 작동 신호에 리턴 투 제로 인코딩을 적용하는 회로를 포함하는 양태 20의 장치.

22. 감지 회로는 용량-전압 컨버터를 포함하고, 용량-전압 컨버터는 제어 신호에 응답하여 리세트되는 양태 16의 장치.

23. 감지 회로는 제어 신호에 응답하여 감지 신호를 기지의 값으로 세트하는 수단을 포함하는 양태 22의 장치.

24. 감지 회로는 제어 신호에 응답하여 감지 신호를 기지의 값으로 세트하는 수단을 포함하는 양태 16의 장치.

25. 상기 감지 회로는 용량-전압 컨버터를 포함하고, 용량-전압 컨버터는 제어 신호에 응답하여 리세트되는 양태 24의 장치.

26. 감지 신호는 정의 신호 및 부의 신호를 포함하는 차동 신호이고, 상기 리세트하는 수단은 정의 신호 및 부의 신호를 같게 세트하도록 구성되는 양태 24의 장치.

27. 세트하는 상기 수단은 아날로그 스위치를 포함하는 양태 26의 장치.

부기 II

1. 작동 신호 및 여기 신호를 발생시키고 감지 정보 신호를 수신하도록 구성된 정전 작동 컨트롤러,

드라이브 신호를 생성하는 MEMS 센서로부터의 신호에 응답하는 드라이브 용량-전압 컨버터, 및 감지 신호를 생성하는 MEMS 센서로부터의 신호에 응답하여 감지 용량-전압 컨버터,

드라이브 신호 및 감지 신호에 커플링되고, 감지 신호에 의해 반송된 감지 정보를 복조하여 감지 정보 신호를 생성하는 복조기, 및

드라이브 신호 및 감지 신호의 적어도 하나에 커플링되고, 드라이브 신호와 감지 신호를 곱하기 전에, 드라이브 신호와 감지 신호 사이의 상대적인 지연을 발생시킴으로써 드라이브 신호와 감지 신호의 시간 정렬을 행하는 시간 정렬 회로를 포함하고,

미세 시간 지연 회로는 드라이브 신호와 감지 신호 사이의 미세 시간 지연을 발생시키도록 구성되는 적어도 하나의 필터를 포함하는, MEMS 센서와 인터페이싱하는 집적 회로.

2. 드라이브 신호 및 감지 신호 중 하나에 커플링되는 거친 시간 지연 회로를 더 포함하는 양태 1의 장치.

3. 거친 시간 지연 회로는 프로그래머블 시프트 레지스터를 포함하는 양태 2의 장치.

4. MEMS 센서의 질량체의 움직임에 의해 야기된 용량 변화를 검출하기 위한 드라이브 신호 및 감지 신호를 포함하는 MEMS 센서 신호를 처리하는 방법으로서,

드라이브 신호와 감지 신호를 곱하고,

드라이브 신호와 감지 신호를 곱하기 전에, 드라이브 신호와 감지 신호 사이의 상대적인 지연을 발생시킴으로써 드라이브 신호 및 감지 신호의 시간 정렬을 행하는 것을 포함하고,

상대적인 지연을 발생시키는 것은, 드라이브 신호와 감지 신호 사이의 미세 시간 지연을 발생시키도록, 드라이브 신호와 감지 신호 중 적어도 하나의 필터링을 행하는 것을 포함하는 방법.

5. 드라이브 신호와 감지 신호 사이의 거친 시간 지연을 발생시키는 것을 더 포함하는 양태 4의 방법.

6. 거친 시간 지연을 발생시키는 것은 프로그래머블 시프트 레지스터를 이용하여 행해지는 양태 5의 방법.

7. 미세 시간 지연을 발생시키는 것은,

제 1 필터를 이용하여 드라이브 신호를 필터링하고,

제 2 필터를 이용하여 감지 신호를 필터링하는 것을 포함하고,

제 1 필터 및 제 2 필터는 상이한 시간 지연을 갖는 양태 4의 방법.

8. 제 1 필터 및 제 2 필터는 상이한 중심 주파수를 갖는 양태 7의 방법.

9. 제 1 필터 및 제 2 필터는 밴드패스 필터인 양태 8의 방법.

10. MEMS 센서의 질량체의 움직임에 의해 야기된 용량의 변화를 검출하기 위한 드라이브 신호 및 감지 신호를 포함하는 MEMS 센서 신호를 처리하는 집적 회로로서, 방법은,

드라이브 신호와 감지 신호를 곱하는 회로, 및

드라이브 신호와 감지 신호 중 적어도 하나에 커플링되고, 드라이브 신호와 감지 신호를 곱하기 전에, 드라이브 신호와 감지 신호 사이의 상대적인 지연을 발생시킴으로써 드라이브 신호 및 감지 신호의 시간 정렬을 행하는 회로,

드라이브 신호와 감지 신호 사이의 미세 시간 지연을 발생시키도록 구성된 적어도 하나의 필터를 포함하는 집적 회로.

11. 시간 정렬을 행하는 회로는 거친 시간 지연 회로를 더 포함하는 양태 10의 장치.

12. 거친 시간 지연 회로는 프로그래머블 시프트 레지스터를 포함하는 양태 11의 장치.

13. 미세 시간 지연 회로는,

드라이브 신호를 필터링하는 제 1 필터, 및

감지 신호를 필터링하는 제 2 필터를 포함하고,

제 1 필터 및 제 2 필터는 상이한 시간 지연을 갖도록 구성되는 양태 10의 장치.

14. 제 1 필터 및 제 2 필터는 상이한 중심 주파수를 갖는 양태 13의 장치.

15. 제 1 필터 및 제 2 필터는 밴드패스 필터인 양태 14의 장치.

Claims

MEMS 센서와 인터페이싱하는 집적 회로로서,
작동 신호(actuation signal) 및 여기 신호(excitation signal)를 발생시키고 감지 정보 신호를 수신하도록 구성된 정전 작동 컨트롤러, 및
감지 신호를 생성하는 상기 MEMS 센서로부터의 신호에 응답하는 감지 용량-전압 컨버터를 포함하고,
상기 정전 작동 컨트롤러는, 상기 여기 신호 및 추가 신호에 논리 연산을 적용하여 작동 신호를 얻도록 구성되는 집적 회로.
제 1 항에 있어서,
드라이브 신호를 생성하는 상기 MEMS 센서로부터의 신호에 응답하는 드라이브 용량-전압 컨버터, 및
상기 드라이브 신호 및 상기 감지 신호에 커플링되며 상기 감지 신호에 의해 반송된 감지 정보를 복조하여 상기 감지 정보 신호를 생성하는 복조기를 더 포함하는 집적 회로.
제 1 항에 있어서,
상기 논리 연산은 XOR 및 XNOR 연산 중 하나인 집적 회로.
제 3 항에 있어서,
상기 작동 신호에 리턴-투-제로(return-to-zero) 인코딩을 적용하는 수단을 포함하는 집적 회로.
부유형 질량체를 포함하는 MEMS 센서와 인터페이싱하는 방법으로서,
상기 질량체의 움직임에 의해 야기된 용량 변화의 검출을 위해 상기 MEMS 센서에 인가되는 여기 신호를 생성하는 단계, 및
상기 여기 신호 및 추가 신호에 논리 연산을 적용하여 상기 질량체에 영향을 주는 작동 신호를 얻는 단계를 포함하는 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 MEMS 센서에 상기 작동 신호를 인가하는 단계를 포함하는 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 논리 연산은 XOR 및 XNOR 연산 중 하나인 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 작동 신호에 리턴-투-제로 인코딩을 적용하는 단계를 포함하는 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 작동 신호는 차동 신호(differential signal)인 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 MEMS 센서에 의해 출력된 감지 신호에 응답하여, 상기 질량체의 움직임에 의해 야기된 용량 변화를 감지하는 단계, 및
상기 작동 신호의 적어도 일부의 신호 천이 동안, 리세트 신호에 응답하여 상기 감지를 디스에이블(disable)하는 단계를 포함하는 방법.
부유형 질량체를 포함하는 MEMS 센서와 인터페이싱하는 집적 회로로서,
상기 질량체의 움직임에 의해 야기된 용량 변화의 검출을 위해 상기 MEMS 센서에 여기 신호를 인가하는 회로, 및
상기 여기 신호 및 추가 신호에 논리 연산을 적용하여 상기 질량체에 힘이 가해지게 하는 작동 신호를 얻는 회로를 포함하는 집적 회로.
제 11 항에 있어서,
상기 논리 연산은 XOR 및 XNOR 연산 중 하나인 집적 회로.
제 12 항에 있어서,
상기 작동 신호에 리턴-투-제로 인코딩을 적용하는 회로를 포함하는 집적 회로.
제 12 항에 있어서,
상기 작동 신호는 차동 신호인 집적 회로.
제 12 항에 있어서,
상기 MEMS 센서에 의해 출력된 감지 신호에 응답하여, 상기 질량체의 움직임에 의해 야기된 용량 변화를 감지하는 감지 회로, 및
상기 작동 신호의 적어도 일부의 신호 천이 동안, 상기 감지 회로를 리세트, 디스에이블 또는 전력 다운하는 변경 신호를 인가하는 회로를 포함하는 집적 회로.