TWI583924B - 循環感測設備 - Google Patents

Description

循環感測設備

本發明係關於一種感測器，並且更具體地關於一種多軸感測器之感測。

微電機系統(Microelectromechanical Systems,MEMS)感測設備，例如多軸陀螺儀，係使用於多種應用中。通常情況下，每個感測軸具有其自己的感測電路，代表著一個三軸感測器可能需要同一感測電路的三個複製品。連續時間感測特別是這樣。感測電路的重複引起更高的設備成本及更大的尺寸，並且希望藉由共用該感測電路來減少成本及尺寸。本發明則解決了這種需要。

本發明揭露一種循環感測設備。該循環感測設備包括一MEMS元件，其中，該MEMS元件包括第一感測電極及第二感測電極。該循環感測設備還包括耦合至該第一感測電極及第二感測電極上的一多工器、耦合至該多工器上的至少一感測放大器、耦合至該至少一感測放大器上的一解調器、以及耦合至該解調器上的一積分及轉儲電路(integrate and dump circuit)。最後，該循環感測設備包括耦合至一解多工器上的一類比數位轉換器(analog-to-digital converter,ADC)，其中，該多工器、該至少一感測放大器及該解調器在可重設的放大過程中提供一連續時間感測路徑，而且其中，當在該第一感測電極及第二 感測電極之間進行切換時，該積分及轉儲電路和該ADC提供一離散時間處理路徑。

100a‧‧‧循環多軸陀螺儀

100b‧‧‧循環多軸陀螺儀

105‧‧‧驅動器

110‧‧‧直流電源

115‧‧‧多工器

120‧‧‧MEMS元件

121‧‧‧第一軸感測電極

122‧‧‧第二軸感測電極

123‧‧‧驅動電極

124‧‧‧MEMS驅動感測電極

125‧‧‧驗證質量塊

130‧‧‧第一感測放大器

130a‧‧‧感測放大器

130b‧‧‧感測放大器

132‧‧‧運算放大器

132a‧‧‧運算放大器

132b‧‧‧運算放大器

133‧‧‧重設開關

133a‧‧‧重設開關

133b‧‧‧重設開關

134‧‧‧回授電容器

134a‧‧‧回授電容器

134b‧‧‧回授電容器

135‧‧‧饋通電容器

135a‧‧‧饋通電容器

135b‧‧‧饋通電容器

140‧‧‧第二感測放大器

141‧‧‧輸入電容器

142‧‧‧運算放大器

143‧‧‧重設開關

144‧‧‧回授電容器

150‧‧‧混合器

160‧‧‧積分及轉儲電路

161‧‧‧積分器

162‧‧‧積分器

163‧‧‧輸入解多工器

164‧‧‧輸出多工器

171‧‧‧電阻器

172‧‧‧運算放大器

173‧‧‧重設開關

174‧‧‧回授電容器

176‧‧‧電阻器

177‧‧‧運算放大器

178‧‧‧重設開關

179‧‧‧回授電容器

180‧‧‧類比數位轉換器(ADC)

190‧‧‧解多工器

301-314‧‧‧步驟

410‧‧‧偏移消除電路

411‧‧‧修整電容器

412‧‧‧開關

413‧‧‧開關

第1a圖係循環多軸陀螺儀之第一具體實施例之方塊圖。

第1b圖係循環多軸陀螺儀之第二具體實施例之方塊圖。

第2圖係顯示該循環多軸陀螺儀之控制訊號的時序圖之具體實施例。

第3圖係根據一具體實施例的循環多軸陀螺儀的操作方法之流程圖。

第4圖係顯示該循環陀螺儀感測路徑的一部分之具體實施例，該路徑包括一MEMS元件、一驅動系統、以及帶有偏移消除電路的一第一感測放大器。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：

本發明大體上係關於感測器，並且更具體地關於循環感測設備。下述所示係為使得熟習該項技術者能夠製作及使用本發明，並且提供在專利申請及其要求的背景中。對在此描述之較佳具體實施例、通用原理及特徵作出的各種修改對熟習該項技術者而言是明顯的。因此，本發明並非旨在局限於所示之具體實施例，而是要符合與在此描述的原理和特徵相互一致的最廣泛範圍。

在所述之具體實施例中，循環法係指其中在一定期間內對陀螺儀每個軸進行感測之方法。循環多軸陀螺儀係指具有多軸感測以及一感測電路 的陀螺儀，其中該感測電路對該陀螺儀的每個軸一次讀出一個軸。藉由將循環法應用至一種如三軸陀螺儀的感測設備上，可實質地減少感測路徑元件數量。在這樣做時，實質性地減少了整個晶片尺寸及成本。為了更加詳細地描述本發明的特徵，現在結合附圖描述如下。

第1a圖為循環多軸陀螺儀100a之第一具體實施例之方塊圖，該陀螺儀包括用連續時間感測框架操作的一感測設備和感測電路。儘管對一陀螺儀進行了描述，但熟習該項技術者輕易地了解到循環感測設備係可為多種感測設備。該循環多軸陀螺儀100a包括一直流電源110、一陀螺儀MEMS元件120、一驅動器105、一多工器115、一第一感測放大器130、一第二感測放大器140、一混合器150、一積分及轉儲電路160、一類比數位轉換器(ADC)180以及一解多工器190。該陀螺儀MEMS元件120包括一驗證質量塊125、用於第一軸感測電極121的一MEMS感測電極、用於第二軸感測電極122的一MEMS感測電極、一MEMS驅動電極123、以及一MEMS驅動感測電極124。

該第一感測放大器130包括一運算放大器132、一重設開關133、一回授電容器134、以及用於正交消除的一饋通電容器135。該第二感測放大器140包括一輸入電容器141、一運算放大器142、一重設開關143、以及一回授電容器144。該積分及轉儲電路160包括一輸入解多工器163、一輸出多工器164、兩個積分器161及162，並且這兩個積分器各自包括一電阻器171/176、一重設開關173/178、一回授電容器174/179、以及一運算放大器172/177。

藉由直流電源110將MEMS驗證質量塊125偏壓在一高電壓下。該驅動器105接收來自MEMS驅動感測電極124及該驅動陀螺儀MEMS元件120的輸入，以透過該驅動電極123在驅動頻率下振盪。來自驅動器105的驅動訊號Vd通過該饋通電容器135給第一感測放大器130，以便消除正交。生成一時脈訊號LO並將其發送至混合器150，用以感測訊號的解調。

循環多軸陀螺儀100a具有兩個感測週期。在第一感測週期期間，多工器115被配置成用於從第一軸感測電極121拾取用於該第一軸的感測訊號及正交訊號；在第二感測週期期間，多工器115被配置成用於從第二軸感測電極122拾取用於該第二軸的感測訊號及正交訊號。該等感測訊號為具有與驅動頻率相等之載波頻率的幅值調製訊號。正交訊號係具有在驅動頻率下運行之實質上為固定幅值的正弦訊號。該正交訊號的相位與該等感測訊號的相位呈正交關係。正交訊號Vd通過饋通電容器135消除了大部分正交訊號，並且剩餘的那些訊號被稱為殘餘正交訊號。正交訊號的幅值從軸到軸可以不同，並且在每個感測週期期間可以有區別地對饋通電容器135進行配置，以便到達最大正交消除。該感測訊號和殘餘正交訊號通過第一感測放大器130及第二感測放大器140，並且藉由混合器150進行解調。時脈訊號LO在驅動頻率下運行並且與該感測訊號實質地同相，使得用於該感測訊號的混合器150的增益最小化，並且鑒於其對該感測訊號和LO的相位關係，實質地消除了殘餘正交。藉由積分及轉儲電路160對混合器150的輸出進行處理並且藉由ADC 180將其轉換成數位訊號。該ADC輸出OUT0然後通過解多工器190。將用於該第一軸的感測訊號解多工至OUT1，並且將該第二軸解多工至OUT2。

第2圖示出了該循環多軸陀螺儀之用於控制訊號的時序圖之具體實施例。用於每個軸的操作週期是該感測訊號的其中一個週期。如圖所示，忽略了正交訊號。當將訊號軸係設置為0時，選擇該第一軸並且通過多工器115將第一軸感測電極121連接至第一感測放大器130上；當將訊號軸設置為1時，選擇該第二軸並且通過多工器115將第二軸感測電極122連接至第一感測放大器130上。當訊號rst1為1時，重設開關133能夠對第一感測放大器130進行重設。當訊號rst2為1時，重設開關143能夠對第二感測放大器140進行重設。在第一感測放大器130退出重設之後，將第二感測放大器140保持在重設持續 某段時間，並且藉由此方式當第一感測放大器130退出重設時該第二感測放大器的輸入電容器141吸收從該第一感測放大器取樣的偏移和雜訊並且不會將其傳播至輸出端。

當將訊號軸設置為0時，將解多工器163被配置成用於將輸入訊號V3傳遞至第一積分器161。當將訊號intg設置為0時，啟用重設開關173，當將訊號intg設置為1時，則關閉重設開關173，並且輸入訊號V3將被整合至回授電容器174上。訊號LO基本上在用於該第一軸的感測訊號的零交叉處從0轉變至1，並且該轉變亦大體上對該積分(integration)週期的中間對準。藉此，藉由第一積分器161對(a)接近直流的頻率分量(該直流包括當該第二感測放大器退出重設時從第一感測放大器130及第二感測放大器140取樣的偏移和雜訊)、(b)接近該驅動頻率的偶次諧波的頻率分量、以及(c)殘餘正交訊號進行平均並消除。多工器164被配置成用於將輸出訊號V5從第二積分器162傳遞至該ADC。在整個週期中，重設開關178係關閉的，從而使得第二積分器162保存來自之前週期的積分值。解多工器190被配置成用於將ADC輸出OUT0傳遞至OUT2。

當將訊號軸設置為1時，解多工器163配置成用於將輸入訊號V3傳遞至第二積分器162。當將訊號intg設置為0時，啟用重設開關178，當將訊號intg設置為1時，關閉重設開關178，並且輸入訊號V3將被積分至回授電容器179上。訊號LO實質上用於該第一軸的感測訊號的零交叉處從0轉變至1，並且該轉變還實質上對該積分週期的中間對準。藉由這樣做，第一積分器162對(a)接近直流的頻率分量(該直流包括當該第二感測放大器退出重設時從第一感測放大器130和第二感測放大器140取樣的偏移和雜訊)、(b)接近該驅動頻率的偶次諧波的頻率分量、以及(c)殘餘正交訊號進行平均並消除。多工器164被配置成用於將輸出訊號V4從第一積分器161傳遞至該ADC。在整個週期中，重設開關173係關閉的，以保存來自之前週期的積分值。解多工器190被配置 成用於將ADC輸出OUT0傳遞至OUT1。

該控制訊號一直重複，並且以循環的方式對來自該第一軸及第二軸的感測訊號進行處理。訊號intg及訊號LO指示的積分視窗可以從軸至軸及時變化，用以個別的相位對準。儘管用於每個軸的視窗小於對用於每個軸的訊號進行處理的週期並且可以及時變化，但積分及轉儲電路160在每個積分過程之後的整個週期中保存該值。這使該ADC具有從軸至軸進行之一致的取樣操作。

儘管第2圖指示每個軸的操作週期係該感測訊號的其中一個週期，但我們可以對該概念進行延伸，並替換成算作該感測訊號的半個週期、該感測訊號的兩個週期等。

儘管該等具體實施例描述了2軸操作，但其他具體實施例可以在不脫離如所述的範圍和精神的情況下提供3軸操作或更多。

儘管該等具體實施例藉由使用多工器115描述了MEMS訊號多工，但可以在不脫離如所述的範圍和精神的情況下用不同的方式實現訊號多工。第1b圖示出了一具體實施例，其中對第一感測放大器130進行複製從而使得不需要多工器115。感測放大器130a連接至MEMS第一軸感測電極121上，並且感測放大器130b連接至第二軸感測電極122上。然後藉由在V1處僅打開一第一感測放大器一次對該等感測放大器的輸出進行多工。此具體實施例的優點可以在於減少了放大器輸入處之開關的數量和尺寸。

該第二感測放大器140係任選的。如果將其移除，則將仍然藉由該混合器消除從第一感測放大器130取樣的偏移及雜訊。

儘管該等具體實施例描述了在解多工器163後面具有兩個分開的輸入電阻器171/176的積分及轉儲電路160，但在仍然保持相同功能性的同時一積分及轉儲電路反而可以在解多工器163前面具有一電阻器。

當多工器115被配置成用於僅從MEMS第一軸感測電極121或 第二軸感測電極122向第一放大器130拾取訊號並且解多工器190被配置成用於僅將訊號OUT0傳遞至OUT1或OUT2時，可以按照1軸陀螺儀容易地操作該循環陀螺儀。

第3圖顯示根據一據體實施例的循環陀螺儀的操作方法之流程圖。如所看到的，經由步驟301將MEMS元件偏壓在一固定電壓下。經由步驟302提供第一感測訊號及第二感測訊號。參照第1a圖，該第一感測訊號可以是指通過MEMS第一軸感測電極121來自第一軸的感測訊號，並且該第二感測訊號可以是指通過MEMS第二軸感測電極122來自第二軸的感測訊號。然後經由步驟304對感測放大器進行重設。然後，經由步驟306藉由第一感測放大器選擇用於進行放大的第一感測訊號。該選擇與對該感測放大器進行重設並行。

此後，經由步驟308提供該第一感測訊號的放大，其開始後，在該感測放大器輸出端向該第一感測訊號施加一第一取樣誤差。該第一取樣誤差由該暫態第一感測訊號、正交訊號、諧波訊號、MEMS雜訊、及電路雜訊所貢獻。然後經由步驟310對該第一感測訊號及第一取樣誤差進行解調。經由步驟312，對該調解後的第一感測訊號及調解後的第一取樣誤差進行平均，從而實質地消除該調解後的第一取樣誤差。經由步驟314使該平均訊號數位化。

第4圖示出了該循環陀螺儀感測路徑之替代性的具體實施例，該路徑包括MEMS元件120、驅動器105、以及具有偏移消除電路410的第一感測放大器130。該第一感測放大器130在循環操作過程中的一問題在於無論何時斷開重設開關133，如果至放大器130的暫態輸入訊號不為零，則可以在輸出端V1取樣到一偏移。取決於對斷開重設開關133的時機，可以取樣到感測訊號、正交訊號中的任一項或其任意組合、以及感測/正交訊號的諧波。

該取樣偏移可能會引起兩個問題：(a)如果重設率沒有準確地與輸入訊號的頻率對準，則該取樣偏移會及時改變並且生成一降低訊號雜訊比的 音調；(b)該取樣偏移消耗訊號淨空並且由此限制最大可測量感測訊號。

關於問題(a)，對其進行以下處理：使重設率與該輸入訊號同步，即，重設率係在驅動頻率或驅動頻率的子諧波下。在這樣做時，該取樣偏移在一段時間中是固定的。

關於問題(b)，可以藉由偏移消除電路410對其進行處理。當放大器130在重設相位下時(重設開關133關閉)，該放大器的電壓增益非常小，並且輸出電壓V1接近基準電壓Vref。此時打開開關412，並且橫跨總電荷為Coff(Voff-Vref)的修整電容器411出現一電壓(Voff-Vref)。在斷開重設開關133的那一刻，關閉開關412並打開開關413。

Vref驅動修整電容器411引起修整電容器411上的電荷轉移至放大器回授電容器134，從而在輸出端V1處產生等於-Coff(Voff-Vref)/Cfb的一直流電壓。如果正確地選擇了Voff和Coff的值，則該直流偏移可以消除由於放大器退出重設那一刻的一有限輸入訊號引起的取樣偏移，從而恢復訊號淨空的損失。儘管在如上所述的偏移消除電路410中使用了電壓Voff和Vref，但其他實現方式係可以的，例如使用Voff1及Voff2。

儘管上述偏移消除電路410用於單端型放大器，但該技術可以藉由採用如下兩組偏移消除網路而容易地擴展至差分放大器：一個用於放大器的正側，並且另一個用於放大器的負側。兩個偏壓電壓(例如Voff1及Voff2)用於將修整電容器充電成正電壓及負電壓。可以藉由將該修整電容器上的電荷轉儲至該放大器的相對側來實現偏移消除極性反轉，並且Voff1/Voff2可以具有固定值。

應注意的是，只要其值在每次斷開重設開關時是一致的，Voff、Voff1及Voff2可以是靜電電壓或週期電壓訊號。據此，鑒於其頻率與放大器重設率相同，Voff、Voff1和Voff2可以與驅動訊號Vd或其差分Vd1及Vd2直接 相關聯，並且斷開重設開關的那一刻接近驅動訊號Vd/Vd1/Vd2的峰值。藉由實現這種方式，可以除去用於提供Voff的電壓緩衝器或用於提供Voff1及Voff2的電壓緩衝器。

當與傳統的連續時間感測陀螺儀架構相比時，所述之具體實施例將兩條(用於2軸操作)或三條(用於3軸操作)感測路徑合併成一單條感測路徑，其進而減少了電路面積並且降低了功率耗損。

與傳統的離散時間陀螺儀感測架構相比，本方法適用於連續時間電路的模式並且提供了：(a)更小的雜訊頻寬；(b)與偏壓成能夠實現更大感測訊號的固定高電壓驗證質量塊之使用的相容性；(c)藉由一饋通電容器實現的更簡單的正交消除模式。以相同的功率耗損而言，所述具體實施例具有較離散時間陀螺儀具有更好的雜訊性能，或對於相同的雜訊性能而言，減低了功率耗損。

儘管已經根據所示具體實施例對本發明進行了描述，但熟習該項技術者將容易地認識到，可以對該等具體實施例進行變化並且那些變化將在本發明精神和範圍內。相應地，在不脫離本發明精神和範圍之情況下，熟習該項技術者可以作出許多修改。

100a‧‧‧循環多軸陀螺儀

105‧‧‧驅動器

110‧‧‧直流電源

115‧‧‧多工器

120‧‧‧MEMS元件

121‧‧‧第一軸感測電極

122‧‧‧第二軸感測電極

123‧‧‧驅動電極

124‧‧‧MEMS驅動感測電極

125‧‧‧驗證質量塊

130‧‧‧第一感測放大器

132‧‧‧運算放大器

133‧‧‧重設開關

134‧‧‧回授電容器

135‧‧‧饋通電容器

140‧‧‧第二感測放大器

141‧‧‧輸入電容器

142‧‧‧運算放大器

143‧‧‧重設開關

144‧‧‧回授電容器

150‧‧‧混合器

160‧‧‧積分及轉儲電路

161‧‧‧積分器

162‧‧‧積分器

163‧‧‧輸入解多工器

164‧‧‧輸出多工器

171‧‧‧電阻器

172‧‧‧運算放大器

173‧‧‧重設開關

174‧‧‧回授電容器

176‧‧‧電阻器

177‧‧‧運算放大器

178‧‧‧重設開關

179‧‧‧回授電容器

180‧‧‧類比數位轉換器(ADC)

190‧‧‧解多工器

Claims (21)

1. 一種循環感測設備，包括：一微電機系統(Microelectromechanical Systems,MEMS)元件，其中該MEMS元件包括第一感測電極和第二感測電極；一多工器，耦合至該第一感測電極和第二感測電極上；至少一感測放大器，耦合至該多工器上；一解調器，耦合至該至少一感測放大器上；一積分及轉儲電路，耦合至該解調器上；以及一類比數位轉換器(ADC)，耦合至一解多工器上；其中，該多工器、該至少一感測放大器及該解調器在可重設的放大過程中提供一連續時間感測路徑，並當在該第一感測電極和第二感測電極之間進行切換時，該積分及轉儲電路和該ADC提供一離散時間處理路徑。
2. 如申請專利範圍第1項所述之循環感測設備，其中，該循環感測設備包括一多軸陀螺儀。
3. 如申請專利範圍第2項所述之循環感測設備，更包括用於驅動該MEMS元件之一驅動系統。
4. 如申請專利範圍第3項所述之循環感測設備，更包括一饋通電容器，耦合至該驅動系統及該至少一感測放大器上。
5. 如申請專利範圍第1項所述之循環感測設備，其中該第一感測電極在一第一軸內進行感測，且該第二電極在一第二軸內進行感測。
6. 如申請專利範圍第1項所述之循環感測設備，其中該至少一感測放大器包括第一感測放大器及第二感測放大器。
7. 如申請專利範圍第6項所述之循環感測設備，其中該第一感測放大器包括耦合至該多工器上的一第一運算放大器、一第一重設開關及以回授關係耦合至 該第一運算放大器上的一第一回授電容器。
8. 如申請專利範圍第6項所述之循環感測設備，其中該第二感測放大器包括耦合至該第一感測放大器上的一輸入電容器、耦合至該輸入電容器上的一第二運算放大器、一第二重設開關及以回授關係與該第二運算放大器耦合的一第二回授電容器。
9. 如申請專利範圍第1項所述之循環感測設備，其中，該積分及轉儲電路包括：一輸入解多工器；一第一積分器及一第二積分器，耦合至該輸入解多工器上；以及一多工器，耦合至該第一積分器及第二積分器的一輸出端上。
10. 如申請專利範圍第9項所述之循環感測設備，其中該第一積分器及第二積分器中的每一者包括：一電阻器，耦合至該輸入解多工器上；一運算放大器，耦合至該電阻器上；一重設開關，以回授關係與該運算放大器耦合；以及一電容器，以回授關係與該運算放大器耦合。
11. 如申請專利範圍第9項所述之循環感測設備，其中，該輸入解多工器包括一電阻器，並且該第一積分器及第二積分器中的每一者包括：一運算放大器，耦合至該輸入解多工器上；一重設開關，以回授關係與該運算放大器上耦合；以及一電容器，以回授關係與該運算放大器耦合。
12. 一種循環感測設備，包括：一MEMS元件，其中該MEMS元件包括第一感測電極及第二感測電極；複數感測放大器，被適配成用於選擇性地耦合至該第一感測電極和第二感測電極上； 一解調器，耦合至該等感測放大器上；一積分及轉儲電路，耦合至該解調器上；以及一類比數位轉換器(ADC)，耦合至一解多工器上；其中，該解多工器、該等感測放大器和該解調器在可重設的放大過程中提供一連續時間感測路徑，並當在該第一感測電極和第二感測電極之間進行切換時，該積分及轉儲電路及該ADC提供一離散時間處理路徑。
13. 如申請專利範圍第12項所述之循環感測設備，其中，該循環感測設備包括一多軸陀螺儀。
14. 如申請專利範圍第13項所述之循環感測設備，更包括用於驅動該MEMS元件之一驅動系統。
15. 如申請專利範圍第14項所述之循環感測設備，更包括一饋通電容器，耦合至該驅動系統和該至少一感測放大器上。
16. 如申請專利範圍第12項所述之循環感測設備，其中該第一感測電極在一第一軸內進行感測，且該第二電極在一第二軸內進行感測。
17. 如申請專利範圍第12項所述之循環感測設備，其中該等感測放大器包括第一感測放大器及第二感測放大器。
18. 如申請專利範圍第12項所述之循環感測設備，其中該等感測放大器中的每一者包括耦合至該第一感測電極及第二感測電極其中之一上的一第一運算放大器、一第一重設開關和以回授關係耦合至該第一運算放大器上的一第一回授電容器。
19. 如申請專利範圍第12項所述之循環感測設備，其中該積分及轉儲電路包括：一輸入解多工器；一第一積分器及一第二積分器，耦合至該輸入解多工器上；以及一多工器，耦合至該第一和第二積分器的一輸出端上。
20. 如申請專利範圍第19項所述之循環感測設備，其中該第一積分器及第二積分器中的每一者包括：一電阻器，耦合至該輸入解多工器上；一運算放大器，耦合至該電阻器上；一重設開關，以回授關係耦合至該運算放大器上；以及一電容器，以回授關係與該運算放大器耦合。
21. 如申請專利範圍第19項所述之循環感測設備，其中該輸入解多工器包括一電阻器，且該第一積分器及第二積分器中的每一者包括：一運算放大器，耦合至該輸入解多工器上；一重設開關，以回授關係與該運算放大器上耦合；以及一電容器，以回授關係與該運算放大器耦合。