TW201621277A - 具有自我測試能力之電容式微機電感測器 - Google Patents

具有自我測試能力之電容式微機電感測器 Download PDF

Info

Publication number
TW201621277A
TW201621277A TW104133332A TW104133332A TW201621277A TW 201621277 A TW201621277 A TW 201621277A TW 104133332 A TW104133332 A TW 104133332A TW 104133332 A TW104133332 A TW 104133332A TW 201621277 A TW201621277 A TW 201621277A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
self
capacitive
test
charge pump
control signal
Prior art date
Application number
TW104133332A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI585370B (zh
Inventor
拉瑟 艾爾托能
喬尼 艾爾奇拉
Original Assignee
村田製作所股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 村田製作所股份有限公司 filed Critical 村田製作所股份有限公司
Publication of TW201621277A publication Critical patent/TW201621277A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI585370B publication Critical patent/TWI585370B/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/2851—Testing of integrated circuits [IC]
    • G01R31/2884—Testing of integrated circuits [IC] using dedicated test connectors, test elements or test circuits on the IC under test
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/5755—Structural details or topology the devices having a single sensing mass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P21/00—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本發明提供一種電容式感測器，其包含至少一電容式元件以及一切換式電容器讀出電路部，該切換式電容器讀出電路部係用於偵測因該電容式元件的運動所導致的至少一信號電容。啟動電路部的自我測試偏壓會在一第一週期期間被耦合至該電容式元件，該第一週期同步於前端重置週期並且出現在該電容式感測器的自我測試被自我測試控制器致能時。

Description

具有自我測試能力之電容式微機電感測器
本發明和微機電裝置有關，且明確地說，和具有自我測試能力的慣性感測器(inertial sensor)以及用於慣性感測器的自我測試方法有關。
電容式微機電感測器已經成為許多消費性裝置的一部分，並且它們也被使用在各式各樣的安全重要應用(safety critical application)之中。尤其是在後者的情況中，確認該電容式感測器的機械信號路徑中或是電氣信號路徑中的潛在失效非常重要。
在電容式感測器中，類加速度的自我測試信號能夠利用靜電作用力來產生。然而，為模擬微機電實證質量的全面性加速度誘發的運動，通常會需要高於標稱供應電壓的電壓。
高電壓較佳的係於局部產生，因為外部的高電壓源通常無法取得，尤其是在現場條件(field condition)中。然而，晶片上產生可變的高電壓通常會消耗面積，因為需要高歐姆的電阻性回授，以便降低並且控制被產生的高電壓的大小。除此之外，高電壓域中的任何離散時間電路系統或邏輯亦容易吸汲額外的電流。於某些情況中，因為切換器電晶體中有限的閘極-源極電壓公差的關係，高電壓切換器與邏輯還會增加裝置的複雜性。 再者，使用電阻器不僅會消耗電路/晶片面積，還會消耗電力，因為電荷泵需要供應流經該些電阻性分壓器的電流。造成電荷泵電路系統中大量電流消耗的大型電容器會消耗龐大的電路/晶片面積，並且應該避免。
本發明的目的係提供一種電容式感測器局部自我測試能力能力，其可避免或者至少減緩上面至少其中一項問題。本發明的目的係利用根據獨立申請項之特徵部的電容式感測器以及自我測試方法來達成。本發明的較佳實施例已揭示在依附項之中。
本發明的實施例定義一種電容式感測器，其包含至少一電容式元件以及一切換式電容器讀出電路部，該切換式電容器讀出電路部係用於偵測因該電容式元件的運動所導致的至少一信號電容。一第一切換器排列(switch arrangement)被配置成用以在一前端讀出週期中將該切換式電容器讀出電路部電氣耦合至該電容式元件，以及用以在一前端重置週期中解除該切換式電容器讀出電路部與該電容式元件的電氣耦合。該電容式感測器還包含：一自我測試控制器，其被配置成用以致能與禁能該電容式感測器的自我測試；以及一啟動電路部，用於產生一用於該電容式元件的靜電偏轉的自我測試偏壓。一第二切換器排列被配置成用以在一第一週期期間將該啟動電路部的該自我測試偏壓電氣耦合至該電容式元件。該第一週期同步於該前端重置週期並且被配置成用以出現在該電容式感測器的該自我測試被該自我測試控制器致能時，並且用以在該第一週期以外的其它時間中解除該啟動電路部與該電容式元件的電氣耦合。
該啟動電路部包含一高電壓電荷泵以及一高電壓電荷泵控 制電路系統，該高電壓電荷泵控制電路系統係用於致能與禁能該高電壓電荷泵產生該自我測試偏壓。該第二切換器排列被配置成用以產生一自我測試控制信號、和該第一週期有關的該自我測試控制信號的一第一狀態以及和該第一週期以外的其它時間有關的該自我測試控制信號的一第二狀態。該高電壓電荷泵控制電路系統會響應於該自我測試控制信號，使得致能與禁能該高電壓電荷泵產生該自我測試偏壓會相依於該自我測試控制信號。
本發明的實施例還定義一種用於電容式感測器的自我測試方法，該電容式感測器包含：至少一電容式元件；一切換式電容器讀出電路部，用於偵測因該電容式元件的運動所導致的至少一信號電容；以及一第一切換器排列，其被配置成用以在一前端讀出週期中將該切換式電容器讀出電路部電氣耦合至該電容式元件，以及用以在一前端重置週期中解除該切換式電容器讀出電路部與該電容式元件的電氣耦合。該方法包括於第一週期期間在該電容式感測器中產生一用於該電容器元件之靜電偏轉的自我測試偏壓，其中，該些第一週期同步於該些前端重置週期並且被配置成用以出現在該電容式感測器的自我測試被致能時。該自我測試偏壓會在該第一週期以外的其它時間中與該電容式元件解除耦合。
該方法進一步定義：產生一自我測試控制信號，其中，該自我測試控制信號的第一狀態和該第一週期有關，而該自我測試控制信號的第二狀態和該第一週期以外的其它時間有關；以及響應於該自我測試控制信號來致能與禁能該高電壓電荷泵產生該自我測試偏壓。
本文所主張的發明及其實施例的特點和優點將配合該些實施例的詳細說明來作更詳細的說明。
100‧‧‧可變電容器
102‧‧‧可變電容器
104‧‧‧切換式電容器讀出電路部
106‧‧‧第一切換器排列S1
108‧‧‧啟動電路部
110‧‧‧第二切換器排列S2
112‧‧‧自我測試控制器
114‧‧‧第三切換器排列S3
500‧‧‧電荷泵
502‧‧‧比較器
504‧‧‧低參考電壓供應器
506‧‧‧AND運算子
508‧‧‧電荷泵時脈輸入
600‧‧‧電荷泵
602‧‧‧比較器
604‧‧‧低參考電壓
606‧‧‧AND運算子
800‧‧‧高電壓位準移位器
802‧‧‧中等電壓電荷泵
804‧‧‧中等電壓位準移位器
C1‧‧‧電容器
C2‧‧‧電容器
C3‧‧‧電容器
C4‧‧‧電容器
D1‧‧‧二極體
D2‧‧‧二極體
D3‧‧‧二極體
S4‧‧‧切換器
S5‧‧‧切換器
Z1‧‧‧阻抗
Z2‧‧‧阻抗
mn0‧‧‧電晶體
mn1‧‧‧電晶體
mn2‧‧‧電晶體
mn3‧‧‧電晶體
mn4‧‧‧電晶體
mn5‧‧‧電晶體
mp0‧‧‧電晶體
mp1‧‧‧電晶體
mp2‧‧‧電晶體
mp3‧‧‧電晶體
CP‧‧‧共同部
NP‧‧‧節點部
在下文中將配合較佳實施例，參考隨附的圖式來更詳細說明本發明，其中：圖1所示的係一感測器結構的簡化圖式；圖2所示的係圖1的讀出電路部104的操作；圖3所示的係在該感測器結構中的直接同步的概念；圖4所示的係一電荷泵的操作；圖5所示的係一習知經調節的電荷泵配置的範例；圖6所示的係一感測器的示範性啟動電路部；圖7所示的係一高電壓輸出的示範性波形；圖8所示的係一示範性多工配置；圖9所示的係一示範性反向位準移位器元件的元件；圖10所示的係一替代的多工配置；圖11A至11C所示的係圖10之配置的控制機制；圖12所示的係可以套用於一電容式感測器之中的示範性自我測試方法的多個階段；以及圖13所示的係一感測器的另一示範性啟動電路部。
下面的實施例僅為示範性。本說明書雖然可能參考「一」、「其中一」、或是「某些」實施例；不過，這未必表示每一次參考皆參考相同的實施例，或者，該項特點僅適用於單一實施例。不同實施例的獨特特點亦可被結合而提供進一步的實施例。
在下文中將利用可於其中施行本發明之各種實施例的裝置架構的簡單範例來說明本發明的特點。本發明僅會詳細說明關於用來解釋該些實施例的元件。熟習本技術的人士大體上已知的電容式換能器結構或是微機電裝置的各種通用特點則不會於本文中詳細說明。
圖1所示的係為說明本發明之實施例所需要的元件的簡化圖式。該電容式感測器包括至少一微機電元件，其包含至少一電容式元件。該電容式元件包含一實證質量(轉子)以及一定子，當該實證質量響應於加速度而移動時，該定子會相對於該實證質量保持靜止。該實證質量在一參考系統中的位置係藉由偵測信號電容來測量。一被附接至該實證質量或是被該實證質量併入的電極以及一被附接至該定子或是被該定子併入的電極會購成一電容。當該實證質量相對於該定子移動時，該些電極之間的距離變化會被轉換成該電容的變化。
單一可變電容器會被產生於該定子的一靜態電極與該實證質量的一移動電極之間。該單一可變電容器的總電容包含由該電容器配置所定義的靜態電容以及因該實證質量響應於外部加速度而移動所導致的信號電容。圖1圖解一具有兩個可變電容器100、102的加速度電容式感測器的示範性實施例。該些電容器100、102形成一電容式半橋，其中，該第一可變電容器100對該實證質量位置的敏感性和該第二可變電容器102的敏感性相反，使得該些電容器的總電容以相反的記號改變。該電容式半橋的其中一側的電容會隨著加速度而增加，而另一側則成比例減少。於本發明的範疇內亦可以套用具有一或兩個以上可變電容器的電容器結構。
該電容式感測器還包含一切換式電容器讀出電路部104，用 於偵測因該些電容式元件100、102的運動所導致的信號電容。圖2所示的係圖1的讀出電路部104的操作。跨越一電容式元件100、102的電壓VM會在電荷增加步驟和電荷減少步驟被調變，電荷增加步驟和電荷減少步驟形成兩個不重疊的階段。在它們的第一階段中，一電容式元件100、102會被連接至一電壓VM並且累積電荷。在第二階段中，該電容式元件100、102被下拉至接地並且該電容式元件100、102會被放電。該切換式電容器讀出電路部104可以包含一具有高開放迴路增益的高增益運算放大器，並且該兩個電容式元件100、102可以被連接至它的輸入。據此，在一前端讀出週期Φread期間，當連接至第一電容式元件100的電壓VM改變為零時，輸出電壓VOUTP會從零改變為對應於該第一電容式元件100之累積電荷的數值。同樣地，當連接至第二電容式元件102的電壓VM改變為零時，輸出電壓VOUTN也會從零改變為對應於該第二電容式元件102之累積電荷的數值。VOUTP和VOUTN之間的差異相依於該實證質量在電壓VM零值電壓緣時的位置。應該瞭解的係，圖2為僅具有用於說明本發明所需要之基礎部件的簡化範例。舉例來說，該切換式電容器讀出電路部104的運算放大器亦可以有輸入共模電路系統；或者，其亦可以包括兩個單端運算放大器，以便保持該運算放大器的差動與共模輸入於一固定的電壓處。
圖2圖解具有不同電壓VM輪廓的兩種範例設定。在圖2的範例1中所示的電壓VM的週期等於前端讀出週期Φread，於該前端讀出週期的中間有一電壓緣，而且輸出電壓VOUTP和VOUTN在該前端讀出週期Φread之前會變成零。然而，應該瞭解的係，在該讀出階段期間的切換時序亦可以許多方式來排列。
於電容式偵測中必須建立一零點測量，也就是，該切換式電容電路104需要在取樣週期之間被重置。因此，該電容式感測器包括一第一切換器排列S1 106，其被配置成用以在一前端讀出週期Φread中將該讀出電路部104電氣耦合至該電容式元件，以及用以在一前端重置週期Φreset中解除該讀出電路部104與該一或更多個電容式元件100、102的電氣耦合。這已圖解在圖2中，其中，示範性信號的時間週期已被分時成交替的讀出週期Φread和重置週期Φreset。
於本發明中套用切換式電容器偵測的此時間離散特性來施行一種先進的高電壓產生系統，用以促成該感測器裝置的現場自我測試能力。為達此目的，該電容式感測器包含一啟動電路部108，用以產生一用於該一或更多個電容式元件100、102之靜電偏轉的偏壓。為達自我測試的目的，該啟動電路部108可以在該前端重置週期Φreset期間被電氣耦合至該一或更多個電容式元件100、102並且在該前端讀出週期Φread期間藉由第二切換器排列S2 110而與它們解除耦合。該第二切換器排列S2 110直接同步於該第一切換器排列S1 106。
直接同步的意義為該第二切換器排列S2 110被配置成用以在一第一週期期間將該啟動電路部108電氣耦合至該電容式元件，其中，該第一週期同步於該前端重置週期並且被配置成用以出現在該電容式感測器的自我測試被該自我測試控制器致能時。該第二切換器排列S2 110還被配置成用以在該第一週期以外的其它時間中解除該啟動電路部與該電容式元件的電氣耦合，也就是，當該自我測試沒有運作時以及當該自我測試有運作但是前端讀出週期為有作用時。當該啟動電路部被耦合至該電容式元 件時，所產生的偏壓會產生一靜電作用力並且導致該電容式元件的偏轉。所導致的偏轉可以在該自我測試的讀出週期期間被偵測到並且被用來判斷該電容式元件是否正常操作。
圖3中以方塊圖來顯示該直接同步。如上面所述，該電容式感測器包含一或更多個電容式元件100、102；一讀出電路部104；以及一啟動電路部108。此外，該電容式感測器還可以包含一自我測試控制器112，其會輸入一使用者控制的信號Su。該自我測試控制器112被配置成用以響應於該使用者控制的信號Su而致能或禁能該電容式感測器的自我測試。介於該讀出電路部104與該啟動電路部108之間的虛線圖解的係該兩個電路部104、108的切換功能之間的直接同步。該第二切換器排列110可以藉由一自我測試控制信號ST(Φreset)來控制該啟動電路部之耦合至該一或更多個電容式元件100、102，該自我測試控制信號ST(Φreset)相依於該電容式感測器之使用者控制的自我測試狀態以及該切換式電容器讀出電路部的讀出/重置狀態。舉例來說，當一自我測試被致能(ST=ON)並且該第一切換器排列106具有前端重置週期Φreset時，所造成的自我測試控制信號ST(Φreset)可以導致該啟動電路部以及該一或更多個電容式元件之間的耦合。該控制機制將會利用圖6作更詳細說明。
回到圖1，該電容式感測器可以進一步包括一第三切換器排列S3 114，其同步於該第一切換器排列108並且被配置成用以在該些讀出週期的開始處重置該讀出電路部104。這可以讓該運算放大器的輸入和輸出在出現一讀取脈波(VM暫態)之前便先趨穩。這可以消弭或者至少大幅減少和偵測中的暫態有關的自我測試偏壓的效應。
圖2的範例2圖解一種替代的VM電壓技術，圖中顯示在電壓VM上升緣時的電荷傳輸階段。此種技術允許在單一Φread階段期間取出兩個取樣。位在該讀出電路部104後面的接續處理電路系統可以被排列成用以在VM的下降緣與上升緣之間進行重置，以便確保所偵測到的輸出對應於僅由單一VM暫態所造成的變化。於此技術中，暫態出現在讀出週期期間並且VM在重置週期期間為恆定。這意謂著不需要考慮VM暫態便能夠設計自我測試偏壓技術。該替代技術的額外好處係，當該輸出取樣被形成為單一Φread階段中的兩個連續取樣之間的差異時，有相反極性的兩個取樣允許切斬(chopping)。
為產生用於該自我測試的必要高電壓，該啟動電路部108可以包含一電荷泵。電荷泵提供一種將電壓提高至一電路的標稱供應電壓以上的方式。電荷泵電路中的關鍵器件為一非線性的電荷轉換元件，其可以整流並且提高一交流輸入電壓。圖4所示的係藉由一具有理想二極體的迪克森電荷泵(Dickson charge pump)的第一階段來操作一電荷泵。在該示範性電荷泵的起始期間，一第一電容器C1會經由一正向偏壓的第一二極體D1於階段Φ1中被充電至VDD。於此相同時間，一第二二極體D2的陰極處的電壓會提高至VDD以上，從而產生一跨越該二極體的反向偏壓。來自一第二電容器C2的部分電荷會經由一第三二極體移動至下一個電荷泵級。當階段Φ2變成有作用時，在該第一電容器C1的底部平板處的電壓會提高VDD，而在該第一二極體D1的陰極處的電壓則會試圖提高至2VDD。然而，倘若該第二電容器C2的電壓低於2VDD的話，那麼，該第二二極體D2則會變成正向偏壓並且平衡該第一電容器C1的電壓與該第二電容器C2的電壓。於一 穩態中，配和零負載電流和寄生電容，沒有任何電荷轉換出現，而跨越該第一電容器C1的電壓以及跨越該第二電容器C2的電壓分別為VDD和2VDD。應該瞭解的係，圖4的電荷泵僅為示範性。於本發明的範疇內亦可以套用熟習本技術的人士所熟知的其它電荷泵配置。
圖1的啟動電路部108包含一電荷泵以及控制電路系統，該控制電路系統被配置成用以限制跨越該些電容器和主動式裝置的電壓在最大容忍數值以下，並且防止輸出電壓隨著輸入電壓而不必要地變動。圖5所示的係一習知經調節的電荷泵配置500的範例。為利用低參考電壓，該電荷泵HV的輸出電壓會根據兩個阻抗Z1與Z2而被分割。該些控制構件還包含一比較器502、一低參考電壓供應器504、一AND運算子506、以及一電荷泵時脈輸入508。
在該電荷泵操作起始之後，VHH的分割數值會保持在Vref以下，而且比較器502的輸出為高位準。這可以讓電荷泵時脈輸入508的時脈信號Clk經由相位Φ與來驅動該電荷泵，如配合圖5的說明。現在VHH會提高，直到該比較器抵達引動點(trip point)為止，並且阻隔來自該電荷泵的時脈信號。該電荷泵時脈控制會在該VHH受到比較器502觸發而降低預期負載電流之後重新開始。因此，在穩態操作期間，來自該電荷泵的平均電壓輸出會維持在由該些阻抗所定義的數值Vref*(Z1+Z2)/Z2處。
圖6所示的係圖1的電容式感測器的示範性啟動電路部108。如圖6中所示，該啟動電路部可以包含一電荷泵600以及一電荷泵控制電路系統，該電荷泵控制電路系統包含一比較器602、一低參考電壓604、以及一AND運算子606，如圖5中所示。該控制電路系統可以響應於該自 我測試控制信號ST(Φreset)，使得致能與禁能該自我測試啟動電壓HV的產生會相依於該自我測試控制信號ST(Φreset)。在圖6中顯示之施行該響應的示範性方法有一自我測試控制信號ST(Φreset)的輸入連接至該AND運算子606。該AND運算子的狀態不僅相依於該習知比較器以及該些時脈輸入，在圖5中已說明過。該AND運算子可以進一步被配置成用以根據該自我測試控制信號ST(Φreset)將該電荷泵致能至操作狀態和不作用狀態，也就是，在自我測試運作時的重置週期期間致能至操作狀態，以及在自我測試運作時的讀出週期期間和在自我測試沒有運作時的週期期間致能至不作用狀態。在圖6中，該機制係藉由如下面表格中所示的自我測試控制信號ST(Φreset)的反向輸入來施行： 由於該反向作用的關係，當自我測試沒有運作時，不論該讀出電路部的狀態為何，該自我測試控制信號ST(Φreset)皆為導通。當自我測試運作且該前端讀出週期Φread為導通(也就是，前端重置週期Φreset為不導通)時，該自我測試控制信號ST(Φreset)為導通。當自我測試運作且該前端讀出週期Φread為不導通(也就是，前端重置週期Φreset為導通)時，該自我測試控制信號ST(Φreset)則為不導通。當該自我測試控制信號ST(Φreset)為不導通時，控制該電荷泵控制電路系統的電荷泵會被致能而產生一高電壓輸入HV。應該瞭解的係，本文中 所套用的邏輯運算子和反向輸入技術僅為示範性。在本發明的範疇內亦可以套用其它機制。
該啟動電路部可以還包含切換器S4與S5，它們被配置成用以在該前端讀出週期Φread期間重置該高電壓網和該電容式分壓以及該比較器，以便施行該電荷泵的直接電流回授。當該電容式分壓於重置期間歸零時，所希望的電壓分割率會保持在該高電壓輸出HV開始上升時。
於圖6的示範性結構中，該些阻抗係利用電容器C3與C4來施行，使得來自該電荷泵的平均電壓輸出會收斂至由該些電容所定義的數值Vref*(C3+C4)/C3處。該前端讀出週期Φread係一對應於電容式資訊從該一或更多個電容式元件處被偵測到之瞬時的時脈相位。於該前端讀出週期Φread期間並不需要高電壓產生而且該電荷泵可以處於不作用狀態。當自我測試運作並且該讀出電路部104的前端重置週期Φreset開始時，該電荷泵控制信號ST(Φreset)可以致能該AND閘，因此，該電荷泵600會開始操作。在數個電荷泵時脈Clk週期之後，經分割的電壓輸出數值(HVdivN)會達到比較器602的引動點，該電荷泵時脈Clk會被禁能，並且來自該電荷泵的平均電壓輸出會維持在由電容C3與C4所定義的數值處，直到該前端重置週期Φreset結束為止。沒有電阻性負載，所以，該高電壓輸出在該電荷泵的時脈控制週期之後不會下降。
據此，在一前端重置週期Φreset期間，該高電壓輸出HV可被用來產生一靜電作用力，其會偏轉該些電容式元件100、102的實證質量以便達成該電容式感測器的自我測試。於圖1的範例中，在一前端重置週期Φreset期間，該第一電容式元件100被接地而該高電壓輸出HV被耦合至該第 二電容式元件102並且因而會啟動該實證質量。圖2顯示該啟動電路部108的電荷泵以遞增的方式將該高電壓輸出HV提升至某個位準並且在該前端讀出週期Φread開始之前會維持在該位準處。
圖2圖解用於自我測試的兩種示範性激發技術。該高電壓輸出HV的位準係由一電荷泵週期(pump period)的長度來決定，也就是，從該前端重置週期Φreset開始至一自我測試期間的分壓輸出數值(HVdivN)抵達比較器602的引動點的時間，而電荷泵時脈Clk則被禁能。該電荷泵時脈週期的長度能夠利用參考電壓Vref的位準來控制。CP clk_1所示的係一較短的電荷泵週期，高電壓輸出HV於該週期期間會抵達較低位準；而CP clk_2所示的係一較長的電荷泵週期，電荷泵於該週期期間會導通較長的週期並且高電壓輸出HV會抵達較高的位準。
圖7所示的係該時間離散高電壓輸出HV的示範性波形。曲線第一SA和第二SA所示的分別係讀出電路部和啟動電路部在時間中的切換狀態。所達成的高電壓輸出HV的數值的解析度相依於：電荷泵600的迴轉率(slew rate)，也就是，每一個電荷泵時脈Clk轉變的遞增增額；電容式分壓HVdivN的精確性；比較器延遲；以及電荷泵時脈Clk路徑中的延遲。比較器602可以被設計成在抵達該比較器的引動點之後使得該比較器輸出數值不會在下一個前端重置週期Φreset之前改變。
亦可以控制該高電壓輸出的上升時間。舉例來說，該高電壓輸出信號的精確度能夠藉由刻意讓低的高電壓目標的上升時間為較慢而提高。這可以藉由於該高電壓輸出節點處增加額外的電容性負載來達成，其會降低一電荷泵循環中的高電壓遞增額的大小。配合較小的梯階大小，還 可以減少比較器延遲的效應並且更精確地達成所希望的高電壓位準。
有利的係，該電荷泵的時脈速率(Clk的頻率)會明顯高於該些重置週期(Φreset)與讀出週期(Φread)之間的切換速率。一般來說，自我測試期間的偵測速率的大小為10至100kHz，而該電荷泵則會利用至少10MHz時脈頻率。因此，該電容式感測器可以包含：一第一時脈脈波引擎，其被配置成用於以反相位以及第一頻率來運行該些前端讀出週期與該些前端重置週期；以及一第二時脈脈波引擎，其被配置成用於以第二頻率來運行該切換式電容器電荷泵。此外，有利的係，該第一頻率與該第二頻率的比例大小可以為1：100。
於圖13中所示的另一實施例中，用於致能與禁能該自我測試偏壓(HV)之產生的電荷泵控制電路系統可被施行為沒有如上面所述的控制迴路，但是具有一重置電路系統，例如，AND運算子(606)，用以在該自我測試控制信號ST(Φreset)為不導通時操作該電荷泵(600)。如熟習本技術之人士的瞭解，該自我測試控制信號ST(Φreset)的極性可以藉由選擇用於該自我測試控制信號的AND運算子(606)的非反向輸入閘極而改變。配合該自我測試控制信號ST(Φreset)的不導通週期的長度來合宜地設定該電荷泵的時脈速率(Clk的頻率)，該電荷泵(600)的最大輸出電壓會在該自我測試控制信號ST(Φreset)不導通週期期間抵達預期的自我測試電壓(HV)，但是不會超過該預期的自我測試電壓(HV)位準。該電荷泵致能輸入亦能夠被用來控制被饋送至該電容式元件的自我測試偏壓(HV)脈波的數量，於此情況中，該自我測試偏壓(HV)會高於無限重複的ST(Φreset)不導通脈波。
此功能藉由在每一個前端讀出週期(Φread)處監視讀取自該電 容式元件的電容數值並且在達到該電容式元件的充分電容偏移時藉由操縱Clk或ST(Φreset)來禁能該電荷泵(600)而達成。換言之，該ST(Φreset)及/或Clk輸入可被設計成當該自我測試偏壓(HV)產生在達到該充分電容偏移之後被禁能時以讓該電荷泵操作為完全關閉的方式來控制被饋送至該電荷泵之中的自我測試偏壓(HV)產生脈波的數量，也就是，沒有任何時脈會進入該電荷泵。一額外的切換器排列(S5)可以被排列在該啟動電路系統之中，用以在該前端讀出週期(Φread)期間重置該高電壓，以便在該些讀出週期(Φread)期間確保零輸出。這可以防止因浮動電荷泵輸出(HV)的關係所造成的任何洩漏效應和其它寄生效應。該重置排列亦可以被用來在進入該前端讀出週期(Φread)之前先歸零該電荷泵輸出，使得高電壓不會對該讀出電路系統施加超額的應力。
該電容式感測器包含至少一微機電元件，其中，一或更多個電容式元件可以在電氣域中被耦合在一起以達聯合偵測的目的。該電容式感測器還可以包含二或更多個微機電元件，舉例來說，用於在不同的方向中進行偵測，或者，用以在其中一個方向中提供二或更多個信號以達改良的健全性及/或準確性的目的。該自我測試功能的其中一項重要觀點為多工，也就是，能夠套用一個相同的高電壓源來進行一個以上的自我測試，較佳的係，用於該電容式感測器中的所有電容式元件的自我測試。
圖8所示的係可以套用在本發明的實施例中的一示範性多工配置。該配置包含N個電容式元件mems_e1、mems_e2、…、mems_eN。被輸入至該些電容式元件的高電壓輸入HV(其對應於由該電荷泵所產生的時間離散高電壓輸出HV)係根據元件HV切換器控制信號en_hv1、 en_hv2、…、en_hvN以及dis_hv1、dis_hv2、…、dis_hvN由元件HV切換器HV_sw1、HV_sw2、…、HV_swN來控制。於習知的系統中，高電壓輸入HV為連續性導通，而且切換器狀態的轉變傾向於導致非所希望的暫態效應。舉例來說，元件HV切換器通常包含被耦合至一高電壓源的位準移位器及/或邏輯閘。這些很難設計成在改變高電壓數值時可以達成位準移位操作但是切換卻不會從該高電壓源處吸取大量電流。
圖9所示的係一示範性反向位準移位器元件的元件，該反向位準移位器元件會將一內部供應電壓域信號in(vddint)轉換成高電壓位準信號out_HV。討論HV位在大於vddint的數值處時並且該輸入信號in(vddint)會改變的典型範例情況，該位準移位器輸出也會改變。在轉變期間，hv_pmos和hv_nmos電晶體會導通，並且一電流脈波從該HV供應處被吸取。雖然該脈波的時間持續長度很短；但是，其可以大幅地移為該高阻抗HV供應並且提高HV電流消耗。現在藉由利用該高電壓輸入HV的時間離散形式變可以避免此缺點。於實施例中，該HV和in(vddint)可以被同步，使得狀態轉變僅出現在該高電壓輸入HV為零的時候。
返回至圖8，一元件HV切換器可以包含一高電壓位準移位器800，其被配置成用以利用該高電壓輸入HV作為其供應電壓，以及輸出其已移位的輸出電壓作為控制信號Vctrl_p。該控制信號Vctrl_p接著可用於傳導電晶體mp0和mp1，用以致能與禁能該高電壓輸入HV之供應至電容式元件mems_eN。現在在該自我測試期間的高電壓輸入HV為時間離散，如圖7中所示般地變動，該位準移位器供應電壓HV沒有連續，但是在該前端讀出週期Φread期間假設為零數值。該高電壓位準移位器的邏輯輸入變化 暫態同樣出現在此些零供應電壓週期期間。據此，即使一位準移位器中的所有電晶體同時暫時位於導通狀態中，亦不會產生任何電流脈波或是相關的HV電壓偏差。
於時間離散多工操作中，一元件HV切換器可以被配置成用以操作在三種不同的狀態中。第一種狀態和沒有供應任何高電壓輸入的時間有關，也就是，和該自我測試沒有運作的週期有關，以及和在該自我測試期間的前端讀出週期有關。第二種狀態和自我測試有運作時的前端重置週期Φreset有關，並且高電壓輸入HV必須被饋送用以偏轉該元件HV切換器的該特殊電容式元件。第三種狀態和自我測試有運作時的前端重置週期Φreset有關，但是該高電壓輸入HV則係被饋送用以偏轉該電容式感測器中的另一電容式元件而非該元件HV切換器中的該特殊電容式元件。
此些狀態可以在元件HV切換器中利用多個控制信號的簡單組合來管理。圖8顯示一元件HV切換器中的操作範例，其利用一元件特定控制信號en_hvN/dis_hvN以及圖6中所介紹的共同自我測試控制信號ST(Φreset)來控制高電壓供應至一電容式元件mems_eN。舉例來說，該元件特定控制信號en_hvN/dis_hvN可以經由圖3的自我測試控制器112利用另一使用者控制的信號來設定。該共同自我測試控制信號ST(Φreset)在該高電壓輸入為零時的週期期間為導通，也就是，在自我測試沒有運作的週期期間以及在該自我測試有運作時的前端讀出週期Φread期間(第一種狀態)。
該元件特定信號的兩種邏輯狀態在圖中利用信號en_hvN(要被偏轉的電容式元件N)和dis_hvN(要被偏轉的電容式元件N以外的電容式元件)來表示。因此，在圖8的配置中，該三種狀態可以操作如下： 當自我測試運作時，在該電容式感測器的前端重置週期Φreset期間，送往該電容式元件的非零高電壓輸入HV係由一個別的元件HV切換器來控制。如圖8中所示，當在該元件HV切換器中所產生的控制信號Vctrl_p為vss(0V)時，電晶體mp0、mp1會處在導通狀態中並且該高電壓輸入HV會被饋送至該電容式元件(第二種狀態)。當控制信號Vctrl_p為高位準(HV)時，電晶體mp0、mp1會處在非導通狀態中，電晶體mn1會將該高電壓輸入節點拉至接地，因此，該HV切換器會阻止該高電壓輸入至該電容式元件(第三種狀態)。
亦可以將該些傳導電晶體mp0和mp1偏壓至一內部的供應電壓vddint，從而確保它們在前端讀出週期期間(第一種狀態)維持在不導通的狀態中。該vddint偏壓可以由電晶體mn2來控制。為正確地操作該電晶體mn2，一中等電壓電荷泵802可被用來提供一高於vddint的電壓。因此，該元件HV切換器可以包含一中等電壓電荷泵802以及一中等電壓位準移位器804。該自我測試控制信號ST(Φreset)可被用來致能或禁能該中等電壓電荷泵802的中等電壓輸入MV。該中等電壓位準移位器804輸出可被用來致能或禁能切換器mn2並且從而將vddint偏壓連接至該些傳導電晶體mp0和mp1或是防止vddint偏壓送往該些傳導電晶體mp0和mp1。該非零偏壓會可靠地保持該些串聯的pmos mp0、mp1的閘極處於高電阻模式中，並且確保該電容式元件mems_eN於該第一種狀態期間保持浮動。
有利的係，該中等電壓電荷泵802被配置成用以盡可能消耗很少的電流。於圖8的範例中，該中等電壓電荷泵802在自我測試沒有運作時同樣為導通。為最小化電流消耗，該中等電壓電荷泵的時脈可以同步於該些前端重置週期和前端讀出週期，使得該中等電壓數值在前端重置階段期間會被更新並且因而不會干擾讀出操作。相反地，在自我測試期間，該中等電壓電荷泵可以較高的速率被時脈控制，以便確保在讀出階段期間有短上升時間。因此，該中等電壓電荷泵可以被耦合至一第三時脈脈波引擎，使得當自我測試被禁能時，該第三時脈脈波引擎會同步於該些重置週期和讀出週期，使得輸出數值在前端重置階段期間會被更新。當自我測試被致能時，該第三時脈脈波引擎則會套用一明顯高於該些前端重置週期和前端讀出週期之變化速率的時脈速率。舉例來說，在該中等電壓電荷泵和該高電壓電荷泵中可以套用同一個時脈速率。
該中等電壓位準移位器804輸出可以被用來致能或禁能切換器mp3並且從而將高電壓輸入HV當作控制信號Vctrl_p連接至該些傳導電晶體mp0和mp1，或是將其禁能。當該MV位準移位器輸出低於該反向的HV位準移位器輸出時，該切換器mp3處於導通狀態中(第三種狀態)。於此些情況中，該高電壓輸入HV變成控制信號Vctrl_p並且阻止該高電壓輸入進入該電容式元件(第三種狀態)。該切換器mp3還會防止vddint在第一種操作狀態期間洩漏至該HV位準移位器。
一由元件特定控制信號en_hvN/dis_hvN來致能與禁能的切換器mn3可被用來歸零該控制信號Vctrl_p並且將該些串聯的pmos切換器mp0、mp1轉換至導通狀態，並且因而致能第二種操作狀態。
一由元件特定控制信號dis_hvN來致能與禁能的重置電晶體mn0可被併入，用以改良其中一個電容式元件的高電壓輸入和其它多工電容式元件的隔離效果。再者，該重置電晶體mn0還會在第一種操作狀態期間，也就是，當該高電壓輸入HV為零並且電容式元件為於非零電位中的時候，防止串聯pmos的本體二極體(bulk diode)導通。
據此，以數個電容式元件來分割該時間離散高電壓便能夠利用一種精簡的切換配置來控制並且會有最小的暫態效應。
於某些實施例中，該時間離散高電壓供應必須配合具有有限閘極氧化物電壓公差的元件(舉例來說，汲極延伸裝置)來使用。於此些情況中，該高電壓供應的多工處理便無法利用如圖8中所示的位準移位器來控制，因為所產生的閘極-源極電壓會破壞或者至少會大幅縮短該些切換器電晶體的壽命。圖10所示的係可套用於本發明的實施例中的一替代多工配置。同樣地，該配置包含N個電容式元件mems_e1、mems_e2、…、mems_eN，而且送往該些電容式元件的高電壓輸入HV係由元件HV切換器來控制。
該高電壓輸入HV可以利用圖6的電荷泵配置來產生。如配合圖8的說明，該時間離散高電壓輸入HV能夠以簡單的方式被用於控制該些多工操作。多工電晶體mp0與mn1(其致能與禁能供應HV給該電容式元件)、一隔離電晶體mp2、以及一或更多個控制電晶體mn3(其在零高電壓輸入的週期中提供一非零偏壓)可以配合圖8所述的方式來管理該三種可能的操作狀態。然而，重要的設計原理所套用的電晶體切換器mp0、mn1、mp2、mn3的係閘極-源極電壓Vg(mn1)、Vg(mp0)、Vg(mn3)、以及Vg(mp2)必須絕不超過給定的公差極限。為確保達成此目的，可以於該配置中併入額外的 元件。圖10之配置的控制機制會在下文中配合圖11A至11C作更詳細的說明。
圖11A至11C的範例配置中的虛線將該些切換元件分割成一共同部CP以及一節點部NP，使得在共同部CP中的元件可以被所有的電容式元件節點共用，而節點部NP中的元件則必須針對各自的電容式元件節點而被分別複製。先前配合圖8的配置所討論的三種狀態可以操作如下：
圖11A和第一種狀態有關，也就是，和在自我測試沒有運作時的操作週期有關，以及和在該自我測試有運作但是讀出週期為導通時的操作週期有關。如配合圖8所述，該高電壓輸入HV為零(vss)並且該電容式元件保持浮動。由中等電壓輸入MV和中等電壓位準移位器C1所控制的切換器mn3、mn4、以及mn5會致能供應非零偏壓vddint分作為電晶體mp2和mp0的閘極的控制信號Vg(mp2)和Vg(mp0)，以便確保它們保持在高電阻模式中。
圖11B和第二種狀態有關，也就是，和自我測試有運作時的操作週期有關，該高電壓輸入HV會被供應至並且被連接至該電容式元件。該些切換元件可以包含降壓浮動電荷泵C2、N3，它們被配置成用以產生在該輸入HV位準以下之經調整的控制信號Vg(mp0)和Vg(mp2)。在圖11B中，位在共同部中的降壓浮動電荷泵C2提供一經調整的較低控制信號電壓 位準HV(N-x)給電晶體mp2的控制信號Vg(mp2)，而位在節點部中的降壓浮動電荷泵N3則提供一經調整的較低控制信號電壓位準HV(N-x)給多工電晶體mp0的控制信號Vg(mp0)。降壓浮動電荷泵中所需要的級數相依於個別被供應的電晶體的臨界值和閘極-源極公差。一般來說，一至兩個級已經足以達到所希望的控制信號電壓位準。
圖11C和第三種狀態有關，也就是，和自我測試有運作時的操作週期有關，該高電壓輸入HV會供應，但是並沒有被連接至該電容式元件。為將mp0驅動至不導通狀態，該些切換元件的節點部可以包含一升壓浮動電荷泵N2，其被配置成用以在該第三種狀態中開啟並且為該多工電晶體mp0的控制信號Vg(mp0)產生一等於該輸入HV位準或是在該輸入HV位準以上之經調整的控制信號電壓位準HV(N+y)。該多工電晶體mp0會變成不導通並且該高電壓輸入HV沒有被連接至該電容式元件。在該第三種狀態中，電晶體mn1會被致能並且將該電容式元件拉至接地。
本發明的時間離散方式因而達成一種有效且不複雜的切換機制，即使在多工元件配置中其仍然能夠有非常面積優化的施行結果。該面積優化係藉由運用該讀出電路系統介面的離散時間特性而達成。該電荷泵重置與控制技術能夠依此方式被設計成使得該電荷泵的DC電流負載維持非常小，同時可以將單一電荷泵輸出多工送往數個隔離的定子電極。於該電荷泵中沒有大型電阻器會基於下面兩項理由而確保維持很低的電荷泵面積消耗：首先，大型電阻器佔用可觀的面積；其次，電阻器會消耗DC電流，這會迫使增加該電荷泵的面積。該切換機制亦很容易適應於使用具有有限電壓公差的器件的施行方式中。藉由引進浮動電荷泵(C2、N2、N3)使 得浮動電晶體(mp0、mp2)的閘極偏壓(Vg(mp0)、Vg(mp2))僅被偏壓該輸出自我測試偏壓(HV)數值以下或以上的必要數額便有可能達成此目的。一般來說，當在此些輔助的浮動電荷泵(C2、N2、N3)中僅需要一級或最多兩級並且負載由被驅動的閘極來決定時，此些浮動電荷泵(C2、N2、N3)便不會大幅增加面積。
圖12所示的係可以套用於根據圖1至11的電容式感測器結構中的示範性自我測試方法的多個階段。該方法從該電容式感測器處於正常操作中並且該讀出電路部的前端讀出週期和前端重置週期於該電容式感測器中週期性運作的情況中開始(階段1200)。該電容式感測器同樣會反應於偵測一觸發信號，其可致能該電容式感測器的自我測試操作(階段1202)。只要沒有偵測到任何此觸發信號，該電容式感測器便可以停留在階段1200的正常操作中。倘若偵測到該觸發信號的話，該電容式感測器便開始進行自我測試操作。倘若該結構僅包含一個電容式元件的話，階段1204會被省略；然而，一電容式感測器通常包含數個要被測試的電容式元件，並且於此些情況中，該電容式感測器可以被配置成用以偵測一元件特定控制信號en_hvN/dis_hvN(階段1204)，該元件特定控制信號en_hvN/dis_hvN表示該些電容式元件中要被測試的電容式元件。為產生該測試的參考數值，在該啟動之前的時間處所測量的數值Dstart可以先被儲存(階段1206)。於此之後，該自我測試可以在交替的前端讀出週期和前端重置週期中進行(階段1208)。
已知的係，很難利用高激發電壓來產生精確的加速度模擬測試信號。取而代之地，比較可行的方式係利用該些高電壓來驗證該實證質量於一指定的時間框中移動必要的全面性範圍，並且驗證該電容式感測器 在該激發被移除之後以指定的精確性和速度回到該激發之前的條件。舉例來說，可以先定義一目標偏轉並且在該電容式元件達到此偏轉時停止自我測試。該高電壓偏壓可被設為略高於(10至20%)該實際所希望偏轉的預估電壓，並且當達到該所希望的偏轉時便可以立刻決定停止該自我測試。達成該所希望偏轉以及返回到零偏轉所需要的時間亦可以作為用以表示該受測電容式元件之狀態的指示符。此種排列降低對精確高電壓位準的需求，且因此大幅減化該自我測試施行方式。
據此，在一選定電容式元件的自我測試的第一子測試中，可能會先測試回應該啟動的能力。為達此目的，在前端重置週期Φreset期間，自我測試偏壓HV的產生會被觸發(階段1210)，並且該電容式感測器裡面的切換排列會將該自我測試偏壓HV耦合至該選定的電容式元件(階段1212)。只要該選定的電容式元件的自我測試持續進行，此程序便可以在該些重置週期期間繼續進行。
在對應的前端讀出週期Φread期間，該受測電容式元件的偏轉會被偵測(階段1214)。該被測得的資料會和一經定義的偏轉測試末端條件作比較(階段1216)，以便判斷是否要結束該第一子測試。舉例來說，當該被測得的偏轉達到一經定義的臨界值時或者當達到事先定義的啟動測試時間區間時便可以觸發該結束作業。
在該第一部分結束後，該第一子測試的結果可以被記錄(階段1218)。舉例來說，倘若該第一子測試因該被測得的偏轉達到該經定義的臨界值而結束的話，該第一子測試可被視為成功(部分1為OK)。對應地，倘若該第一子測試因在該被測得的偏轉達到該經定義的臨界值之前啟動測 試時間區間先結束而結束的話，該第一子測試可被視為表示失敗(部分1為NOK)。或者，亦可以定義一目標時間範圍，於該目標時間範圍期間應該抵達該經定義的臨界偏轉；並且記錄抵達該經定義的臨界偏轉的實際時間週期。倘若該實際時間週期沒有落在該目標時間範圍裡面的話，即使沒有超過該啟動測試時間區間，該第一子測試仍可被視為表示失敗。
於該自我測試的第二子測試中，其可以測試該選定的電容式元件是否以適當的方式返回到初始條件。據此，在該選定電容式元件的自我測試的第二子測試中，該自我測試可以再次在交替的前端讀出週期和前端重置週期中進行(階段1220)。然而，此次在該電容式感測器裡面的切換排列則被配置成用以阻隔該自我測試偏壓(HV)進入該選定的電容式元件(階段1222)。這意謂著沒有任何靜電作用力產生該偏轉，並且該些被測得的數值應該接近在該啟動之前的時間處所儲存的初始測量數值Dstart。
據此，再次地，在對應的前端讀出週期Φread期間，該受測電容式元件的偏轉會被偵測(階段1224)。該被測得的資料會和一經定義的返回測試結束條件作比較(階段1226)，以便判斷是否要結束該第二子測試。舉例來說，當該些被測得的數值在經校正的精確度內達到該些初始測量數值Dstart時或者當達到事先定義的返回測試時間區間時便可以觸發該結束作業。
在該第二部分結束後，該第二子測試的結果可以被記錄(階段1228)。舉例來說，倘若該第二子測試因該些被測得的偏轉對應於該些初始測量數值Dstart而結束的話，該第二子測試可被視為成功(部分2為OK)。對應地，倘若該第二子測試因在被測得的數值達到該些初始測量數值Dstart 之前返回測試時間區間先結束而結束的話，該第二子測試可被視為表示失敗(部分2為NOK)。或者，亦可以定義一目標時間範圍，於該目標時間範圍期間應該抵達該些初始測量數值Dstart；並且記錄抵達該些初始測量數值Dstart的實際時間週期。倘若該實際時間週期沒有落在該目標時間範圍裡面的話，即使沒有超過該返回測試時間區間，該第二子測試仍可被視為表示失敗。
在該選定電容式元件的自我測試的第一子測試和第二子測試之後，該些分部測試的結果會被檢查，並且該受測電容式元件的總結果會被記錄(階段1230)。舉例來說，倘若第一子測試和第二子測試皆成功的話，該電容式元件則可被視為成功地通過測試(階段1232)。對應地，倘若第一子測試和第二子測試中任一者失敗的話，該電容式元件則可被視為測試失敗(階段1234)。
在一選定電容式元件的自我測試之後，該方法會檢查是否結束該自我測試操作(階段1236)。如果是的話，該感測器會返回到正常操作(階段1200)。如果否的話，則可以開始另一電容式元件的測試(階段1204)。
熟習本技術的人士便會明白，隨著技術的發展，本發明的基礎概念亦能夠以各種方式來施行。所以，本發明及其實施例並不受限於上面的範例，相反地，它們可以在申請專利範圍的範疇裡面而有不同。
600‧‧‧電荷泵
602‧‧‧比較器
604‧‧‧低參考電壓
606‧‧‧AND運算子
C3‧‧‧電容器
C4‧‧‧電容器
S4‧‧‧切換器
S5‧‧‧切換器

Claims (20)

  1. 一種電容式感測器，其包括：至少一電容式元件；一切換式電容器讀出電路部，其被配置成用以偵測因該電容式元件的運動所導致的至少一信號電容；一第一切換器排列，其被配置成用以在一前端讀出週期中將該切換式電容器讀出電路部電氣耦合至該電容式元件，以及用以在一前端重置週期中解除該切換式電容器讀出電路部與該電容式元件的電氣耦合；一自我測試控制器，其被配置成用以致能與禁能該電容式感測器的一自我測試；一啟動電路部，其被配置成用以產生用於該電容式元件的靜電偏轉的一自我測試偏壓；一第二切換器排列，其被配置成用以在一第一週期期間將該啟動電路部的該自我測試偏壓電氣耦合至該電容式元件，其中，該第一週期同步於該前端重置週期並且被配置成用以出現在該電容式感測器的該自我測試被該自我測試控制器致能時，並且該第二切換器排列被配置成用以在該第一週期以外的其它時間中解除該啟動電路部與該電容式元件的電氣耦合；其中：該啟動電路部包含一高電壓電荷泵以及一高電壓電荷泵控制電路系統，該高電壓電荷泵控制電路系統被配置成用以致能與禁能該高電壓電荷泵產生該自我測試偏壓；該第二切換器排列被配置成用以產生一自我測試控制信號、和該第一 週期有關的該自我測試控制信號的一第一狀態以及和該第一週期以外的其它時間有關的該自我測試控制信號的一第二狀態；以及該高電壓電荷泵控制電路系統會響應於該自我測試控制信號，使得致能與禁能該高電壓電荷泵產生該自我測試偏壓會相依於該自我測試控制信號。
  2. 根據申請專利範圍第1項的電容式感測器，其中該電容式感測器包含：一第一時脈脈波引擎，其被配置成用於以反相位以及一第一頻率來運行該前端讀出週期與該前端重置週期；一第二時脈脈波引擎，其被配置成用於以一第二頻率來運行該高電壓電荷泵；以及一高電壓電荷泵控制電路系統，其響應於該自我測試控制信號而被配置成用以在該第一週期中致能該第二時脈脈波引擎。
  3. 根據申請專利範圍第2項的電容式感測器，其中該高電壓電荷泵控制電路系統包含一電容式分壓，其中，該高電壓電荷泵控制電路系統被配置成用以響應於該電容式分壓抵達一已定義的臨界值而禁能該第二時脈脈波引擎。
  4. 根據申請專利範圍第3項的電容式感測器，其中該感測器進一步包括一第一高電壓電荷泵切換器排列，其被配置成用以在該第一週期以外的其它時間中歸零該電容式分壓。
  5. 根據申請專利範圍第3或4項的電容式感測器，其中該感測器進一步包括一第二高電壓電荷泵切換器排列，其被配置成用以在該第一週期以外 的其它時間中歸零該自我測試偏壓的輸出。
  6. 根據申請專利範圍第2至5項中任一項的電容式感測器，其中該第一頻率與該第二頻率的比例為1：100或更多。
  7. 根據申請專利範圍第1至6項中任一項的電容式感測器，其中：該電容式感測器進一步包括至少一對電容式元件，每一個電容式元件皆包含一可變電容器，該些電容式元件形成一電容式半橋，其中，該自我測試偏壓被耦合用以誘發該些電容式元件的反向偏轉。
  8. 根據申請專利範圍第1至7項中任一項的電容式感測器，其中該電容式感測器進一步包括：二或更多個電容式元件；多個元件切換器，其被配置成用以分別地控制一共同自我測試偏壓之耦合至該二或更多個電容式元件，其中，該些元件切換器的邏輯輸入改變被配置成用以出現在該些前端讀出週期期間。
  9. 根據申請專利範圍第8項的電容式感測器，其中該些元件切換器中的至少其中一個元件切換器包含：一或更多個第一控制電晶體，其被配置成用以根據一控制信號來致能或禁能該自我測試偏壓之耦合至該電容式元件；以及一高電壓位準移位器，其被配置成用以利用該時間離散的自我測試偏壓作為一供應電壓，用以產生一經移位的時間離散電壓以用於作為該些第一控制電晶體的該控制信號。
  10. 根據申請專利範圍第8項的電容式感測器，其中該些元件切換器中 的至少其中一個元件切換器包含：一或更多個第一控制電晶體，其被配置成用以根據一控制信號來致能或禁能該自我測試偏壓之耦合至該電容式元件；以及至少一浮動電荷泵，其被耦合至該高電壓電荷泵的輸出，用以產生一經升壓或是經降壓的時間離散電壓以用於作為該一或更多個第一控制電晶體的該控制信號。
  11. 根據申請專利範圍第9或10項的電容式感測器，其中該元件切換器進一步包含一切換器控制電路系統，其響應於該自我測試控制信號，用以在該第一週期期間致能送往該一或更多個第一控制電晶體的該控制信號，並且在該第一週期以外的其它時間期間禁能送往該一或更多個第一控制電晶體的該控制信號。
  12. 根據申請專利範圍第11項的電容式感測器，其中該切換器控制電路系統包含多個器件，該些器件被配置成用以在前端讀出週期期間將該些第一控制電晶體偏壓至一內部供應電壓，該內部偏壓供應電壓係低於該自我測試偏壓。
  13. 根據申請專利範圍第12項的電容式感測器，其中該些器件包含：一或更多個第二控制電晶體，用於控制該內部供應電壓的供應；以及一中等電壓供應器，用於控制由該些第二控制電晶體所進行的切換。
  14. 根據申請專利範圍第13項的電容式感測器，其中：該元件切換器被配置成用以輸入該自我測試控制信號、和該第一週期有關的該自我測試控制信號的該第一狀態以及和該第一週期以外的其它時間有關的該自我測試控制信號的該第二狀態；以及 其中，接至該些第二控制電晶體的該中等電壓供應器會根據該自我測試控制信號的狀態而被致能或禁能。
  15. 根據申請專利範圍第14項的電容式感測器，其中：該中等電壓供應器包含一中等電壓電荷泵；該中等電壓電荷泵被耦合至一第三時脈脈波引擎；當自我測試被禁能時，該第三時脈脈波引擎會同步於該些重置和讀出週期，使得該中等電壓電荷泵的輸出數值在前端重置階段期間會被更新；以及其中當自我測試被致能時，該第三時脈脈波引擎則會套用一高於該些前端重置和讀出週期之變化速率的時脈速率。
  16. 根據申請專利範圍第15項的電容式感測器，其中該第二時脈脈波引擎亦可被配置成用以作為一第三時脈脈波引擎。
  17. 根據申請專利範圍第1至16項中任一項的電容式感測器，其中該感測器進一步包括一第三切換器排列，其同步於該第一切換器排列的該些讀出週期並且被配置成用以在每一個讀出週期的開始處且在出現該讀出週期的一讀取脈波之前重置該讀出電路部。
  18. 一種用於電容式感測器的自我測試的方法，該電容式感測器包含至少一電容式元件；一切換式電容器讀出電路部，用於偵測因該電容式元件的運動所導致的至少一信號電容；以及一第一切換器排列，其被配置成用以在一前端讀出週期中將該切換式電容器讀出電路部電氣耦合至該電容式元件，以及用以在一前端重置週期中解除該切換式電容器讀出電路部與該電容式元件的電氣耦合，該方法包括： 於第一週期期間在該電容式感測器中產生用於該電容器元件之靜電偏轉的一自我測試偏壓，其中，該些第一週期同步於該些前端重置週期並且被配置成用以出現在該電容式感測器的該自我測試被致能時；在該第一週期以外的其它時間中解除該自我測試偏壓與該電容式元件的電氣耦合；產生一自我測試控制信號，其中，該自我測試控制信號的一第一狀態和該第一週期有關，而該自我測試控制信號的一第二狀態和該第一週期以外的其它時間有關；以及響應於該自我測試控制信號來致能與禁能該高電壓電荷泵產生該自我測試偏壓。
  19. 根據申請專利範圍第18項的方法，其中：在該自我測試期間的該些前端讀出週期期間測量該電容式元件之自我測試偏壓誘發的偏轉；比較該被測得的偏轉和一事先定義的偏轉目標數值；以及以該比較結果為基礎來決定該電容式元件的狀態。
  20. 根據申請專利範圍第19項的方法，其中該方法進一步包括：在該自我測試的該些前端重置週期期間致能該自我測試偏壓進入該電容式元件；在該些前端讀出週期期間阻止該自我測試偏壓進入該電容式元件；在該自我測試的該些前端讀出週期期間測量該電容式元件的偏轉；比較該被測得的偏轉和一事先定義的返回目標數值；以及以該比較結果為基礎來決定該電容式元件的狀態。
TW104133332A 2014-10-13 2015-10-12 具有自我測試能力之電容式微機電感測器 TWI585370B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20145894A FI127101B (en) 2014-10-13 2014-10-13 Capacitive microelectromechanical sensor with self-test capability

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201621277A true TW201621277A (zh) 2016-06-16
TWI585370B TWI585370B (zh) 2017-06-01

Family

ID=54337837

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW104133332A TWI585370B (zh) 2014-10-13 2015-10-12 具有自我測試能力之電容式微機電感測器

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9696375B2 (zh)
EP (1) EP3207381B1 (zh)
FI (1) FI127101B (zh)
TW (1) TWI585370B (zh)
WO (1) WO2016059519A1 (zh)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT201600103234A1 (it) 2016-10-14 2018-04-14 Green Seas Ventures Ldt Sistema Costruttivo afferente un sensore capacitivo di tensione
WO2018147158A1 (ja) * 2017-02-08 2018-08-16 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 加速度センサ
EP3404422B1 (en) * 2017-05-19 2019-11-13 NXP USA, Inc. System including a capacitive transducer and an excitation circuit for such a transducer and a method for measuring acceleration with such a system
IT201800004114A1 (it) 2018-03-30 2019-09-30 Green Seas Ventures Ltd C/O Citco B V I Ltd Sistema costruttivo afferente un sensore capacitivo di tensione
CA3121832A1 (en) 2018-12-17 2020-06-25 G & W Electric Company Electrical sensor assembly
CN113227802A (zh) 2018-12-17 2021-08-06 G&W电气公司 电传感器组合件
US11175138B2 (en) 2019-06-26 2021-11-16 Stmicroelectronics, Inc. MEMS gyroscope control circuit
US11162790B2 (en) 2019-06-26 2021-11-02 Stmicroelectronics, Inc. MEMS gyroscope start-up process and circuit
US11320452B2 (en) * 2019-06-26 2022-05-03 Stmicroelectronics, Inc. MEMS accelerometer self-test using an active mobile mass deflection technique
US11255670B2 (en) 2019-06-26 2022-02-22 Stmicroelectronics, Inc. MEMS gyroscope self-test using a technique for deflection of the sensing mobile mass
EP3826183B1 (en) 2019-11-21 2023-06-21 Murata Manufacturing Co., Ltd. A charge-pump circuitry and a method for high voltage generation with improved psrr
US11268975B2 (en) * 2019-12-19 2022-03-08 Invensense, Inc. Accelerometer sensitivity self-calibration with duty cycle control of drive signal
EP4354151A1 (en) * 2022-10-11 2024-04-17 NXP USA, Inc. Accelerometer having a grounded shield structure

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19516809C1 (de) * 1995-05-08 1996-09-05 Heinz Dipl Ing Ploechinger Kapazitiver Füllstandsensor
JP3125675B2 (ja) * 1996-03-29 2001-01-22 三菱電機株式会社 容量型センサインターフェース回路
JP2001520391A (ja) * 1997-10-15 2001-10-30 マキシム・インテグレーテッド・プロダクツ・インコーポレーテッド 接地の上と下における低電圧感知用に最適化された単一電源電圧−周波数変換器
JP2002040047A (ja) 2000-07-25 2002-02-06 Denso Corp 容量型物理量検出センサ
US8340762B2 (en) * 2003-04-23 2012-12-25 Medtronic, Inc. Pulse generation techniques for implantable pulse generator systems
AU2007302788B2 (en) * 2006-09-28 2010-12-16 Medtronic, Inc. Capacitive interface circuit for low power sensor system
ATE488747T1 (de) 2007-02-21 2010-12-15 Em Microelectronic Marin Sa Automatischer test einer elektronischen schaltungsanordnung eines kapazitiven sensors, und elektronische schaltungsanordnung zur ausführung des testes
US7940058B2 (en) 2007-05-24 2011-05-10 Electro Scientific Industries, Inc. Capacitive measurements with fast recovery current return
CN101281220B (zh) 2008-01-02 2010-09-29 清华大学 电容检测电路及其电容式传感器接口电路芯片
US20130001550A1 (en) 2011-06-29 2013-01-03 Invensense, Inc. Hermetically sealed mems device with a portion exposed to the environment with vertically integrated electronics
CN103797359B (zh) * 2011-07-20 2016-06-01 奥普特克－丹奴拉特有限责任公司 用于测量液体介质的电导率的装置
US9488693B2 (en) 2012-04-04 2016-11-08 Fairchild Semiconductor Corporation Self test of MEMS accelerometer with ASICS integrated capacitors
CN203535119U (zh) 2013-07-24 2014-04-09 泰凌微电子（上海）有限公司 电容检测电路
EP3026815B1 (en) * 2014-11-28 2019-10-30 STMicroelectronics Srl Fbdda amplifier, device including the fbdda amplifier and method of controlling the fbdda amplifier

Also Published As

Publication number Publication date
FI20145894A (fi) 2016-04-14
WO2016059519A1 (en) 2016-04-21
TWI585370B (zh) 2017-06-01
EP3207381B1 (en) 2018-12-05
US20160103174A1 (en) 2016-04-14
US9696375B2 (en) 2017-07-04
EP3207381A1 (en) 2017-08-23
FI127101B (en) 2017-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI585370B (zh) 具有自我測試能力之電容式微機電感測器
US7304530B2 (en) Utilization of device types having different threshold voltages
US7199641B2 (en) Selectably boosted control signal based on supply voltage
JP5802638B2 (ja) 昇降圧型電源回路
TWI261967B (en) Rush current limiting circuit for a PFM control charge pump
CN103226368A (zh) 快速加电偏置电压电路
CN108736436B (zh) 高电压驱动电子电路布置、对应的设备和方法
US10323957B2 (en) Circuitry and method for generating a discrete-time high voltage
US20080122457A1 (en) Capacitance difference detecting circuit
US9602921B2 (en) Independently charge pumps for differential microphone
WO2012145174A1 (en) Controlling a skew time of switches of a switching regulator
JP2010166110A (ja) 電圧検出回路
TWI544219B (zh) 用以量測電容元件間之電容差之方法及系統
US20180117630A1 (en) Method of controlling amplifiers, corresponding circuit and device
CN104142702A (zh) 输出电路以及电压信号输出方法
CN105043435B (zh) 用于高电压桥偏置生成和低电压读出电路的系统和方法
US8981840B1 (en) Reduction in on-resistance in pass device
JP2008252251A (ja) スイッチ回路、信号出力装置および試験装置
US9760103B2 (en) Integrated circuit having regulator controlled based on operational speed
TW201915499A (zh) 包括電容測量電路的半導體設備
KR20120031145A (ko) 전압 생성 회로
CN110463001B (zh) 电荷泵系统、设备和方法
US8803557B2 (en) Comparator circuit and signal comparison method
US11469755B2 (en) Comparator for controlling dead-time between switching transistors
US8618869B2 (en) Fast power-on bias circuit