本發(fā)明專利申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2011年9月14日、申請(qǐng)?zhí)枮?01180044198.8、發(fā)明名稱為“用于MEMS慣性傳感器的接口”的發(fā)明專利申請(qǐng)案的分案申請(qǐng)。

相關(guān)申請(qǐng)案

本申請(qǐng)案主張2010年9月14日提出申請(qǐng)的標(biāo)題為“用于MEMS慣性傳感器的自計(jì)時(shí)ASIC接口(SELF-CLOCKED ASIC INTERFACE FOR MEMS INERTIAL SENSORS)”的美國(guó)申請(qǐng)案61/382,898的權(quán)益，所述美國(guó)申請(qǐng)案以引用的方式并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的某些方面大體來說涉及MEMS裝置，且更特定來說涉及用于MEMS慣性傳感器的接口。

背景技術(shù)：

微機(jī)電(MEMS)慣性傳感器的眾多應(yīng)用需要高性能ASIC接口?，F(xiàn)有的接口技術(shù)并非在各種方面都完全令人滿意。

舉例來說，在其中存在驅(qū)動(dòng)環(huán)路的反饋(例如，力反饋)系統(tǒng)中，需要激勵(lì)信號(hào)來檢測(cè)感測(cè)環(huán)路及驅(qū)動(dòng)環(huán)路兩者中的電容變化。所述激勵(lì)信號(hào)應(yīng)不影響(舉例來說)施加到MEMS傳感器的檢測(cè)質(zhì)量塊(或若干檢測(cè)質(zhì)量塊)的致動(dòng)。然而，由于激勵(lì)信號(hào)是施加到檢測(cè)質(zhì)量塊且由于致動(dòng)電容器與檢測(cè)電容器共享相同檢測(cè)質(zhì)量塊，因此激勵(lì)信號(hào)會(huì)影響致動(dòng)信號(hào)內(nèi)容及動(dòng)態(tài)范圍。

另一問題與可在一個(gè)通道的致動(dòng)流與相同通道的檢測(cè)路徑或甚至不同通道之間發(fā)生的不合意耦合(例如，感測(cè)模式到感測(cè)模式耦合或感測(cè)模式到驅(qū)動(dòng)模式耦合等)相關(guān)。此耦合可使信號(hào)失真且導(dǎo)致檢測(cè)前端電路的性能的嚴(yán)重降級(jí)。在感測(cè)模式中此效應(yīng)會(huì)增大，因?yàn)榧纳娙菖c工藝不匹配的組合效應(yīng)約為檢測(cè)電容變化。

已提出用以解決此耦合問題的數(shù)個(gè)解決方案。一些解決方案取決于致動(dòng)與檢測(cè)之間的頻率分離(此僅在不同通道之間的耦合的情況中有效)；其它解決方案取決于估計(jì)耦合傳遞函數(shù)并在稍后的階段中(在數(shù)字域信號(hào)處理中或以增加的復(fù)雜性為代價(jià)而在模擬域中)補(bǔ)償此效應(yīng)。其它提議已包含了降低致動(dòng)信號(hào)電平(以減小的致動(dòng)動(dòng)態(tài)范圍為代價(jià))或用以補(bǔ)償不匹配的人工修整。

在其中存在驅(qū)動(dòng)環(huán)路的反饋(例如，力反饋)系統(tǒng)中，感測(cè)信號(hào)可含有以驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率進(jìn)行AM調(diào)制的所要傳感器輸入信號(hào)。因此，為解調(diào)位流以取得原始信號(hào)，使用倍增器來對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)及感測(cè)信號(hào)進(jìn)行倍增以獲得經(jīng)解調(diào)輸出信號(hào)。為使經(jīng)解調(diào)信號(hào)具有最低可能DC分量，可需要SNS與DRV位流之間的準(zhǔn)確相位調(diào)整。用以實(shí)現(xiàn)此相位調(diào)整的各種方法通常必然伴有功率及/或面積代價(jià)。

因此，期望一種用于與MEMS慣性傳感器介接的經(jīng)改進(jìn)接口。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請(qǐng)案的一個(gè)方面涉及一種用于與MEMS傳感器介接的集成電路，其包括：靜電致動(dòng)控制器，其經(jīng)配置以產(chǎn)生致動(dòng)信號(hào)及激勵(lì)信號(hào)且接收感測(cè)信息信號(hào)；及感測(cè)電容/電壓轉(zhuǎn)換器，其響應(yīng)于來自所述MEMS傳感器的信號(hào)而用于產(chǎn)生感測(cè)信號(hào)；其中所述靜電致動(dòng)控制器經(jīng)配置以對(duì)所述激勵(lì)信號(hào)及另一信號(hào)應(yīng)用邏輯運(yùn)算以獲得所述致動(dòng)信號(hào)。

本申請(qǐng)案的另一方面涉及一種與包括懸掛質(zhì)量塊的MEMS傳感器介接的方法，所述方法包括：產(chǎn)生待施加到所述MEMS傳感器以用于檢測(cè)由所述質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的電容變化的激勵(lì)信號(hào)；及對(duì)所述激勵(lì)信號(hào)及另一信號(hào)應(yīng)用邏輯運(yùn)算以獲得用于致使對(duì)所述質(zhì)量塊施加影響的致動(dòng)信號(hào)。

本申請(qǐng)案的又一方面涉及一種用于與包括懸掛質(zhì)量塊的MEMS傳感器介接的集成電路，所述集成電路包括：用于向所述MEMS傳感器施加用于檢測(cè)由所述質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的電容變化的激勵(lì)信號(hào)的電路；及用于對(duì)所述激勵(lì)信號(hào)及另一信號(hào)應(yīng)用邏輯運(yùn)算以獲得用于致使對(duì)所述質(zhì)量塊施加力的致動(dòng)信號(hào)的電路。

附圖說明

結(jié)合附圖，根據(jù)以下詳細(xì)描述，可進(jìn)一步理解本發(fā)明。圖式中：

圖1是其中可使用本發(fā)明接口技術(shù)的電路(例如，ASIC)的架構(gòu)框圖。

圖2A是圖1的ASIC的驅(qū)動(dòng)環(huán)路的圖示。

圖2B是圖1的ASIC的感測(cè)環(huán)路的圖示。

圖3是MEMS電模型連同感測(cè)環(huán)路及驅(qū)動(dòng)環(huán)路的檢測(cè)電路的圖示。

圖4是樣本致動(dòng)頻譜的信號(hào)曲線圖，其展示高頻分量。

圖5是圖解說明致動(dòng)及檢測(cè)波形以及隨之發(fā)生的有效致動(dòng)力的波形圖。

圖6是MEMS電模型的圖示，其圖解說明其中激勵(lì)信號(hào)控制致動(dòng)信號(hào)的形狀的經(jīng)修改致動(dòng)技術(shù)。

圖7是圖解說明根據(jù)圖6的實(shí)施例的經(jīng)修改致動(dòng)及檢測(cè)波形以及隨之發(fā)生的有效致動(dòng)力的波形圖。

圖8是如同圖7的波形圖的波形圖，其展示根據(jù)RZ(歸零)選項(xiàng)的波形。

圖9是圖解說明從致動(dòng)路徑到檢測(cè)路徑的非預(yù)期耦合的圖示。

圖10是展示致動(dòng)及激勵(lì)信號(hào)連同添加的復(fù)位信號(hào)RST的波形圖。

圖11是展示施加到檢測(cè)電路C/V SNS及C/V DRV且施加到MEMS電極的復(fù)位信號(hào)RST的圖示。

圖12是圖解說明圖7的經(jīng)修改致動(dòng)及檢測(cè)波形組合圖10的復(fù)位信號(hào)使用的波形圖。

圖13是如同圖12的波形圖的波形圖，其展示根據(jù)RZ(歸零)選項(xiàng)的波形。

圖14是圖1的電路的解調(diào)部分的框圖。

圖15是展示圖14的濾波器的量值及相位響應(yīng)的曲線圖。

圖16是針對(duì)圖15的帶通濾波器中的偏移一者的隨濾波器中心頻率而變的相移的曲線圖。

具體實(shí)施方式

圖1中展示示范性ASIC的系統(tǒng)架構(gòu)。在功能上，可將此系統(tǒng)劃分成若干主要塊，如下：

1-MEMS傳感器接口電路(110、120、130)：

電路的此部分分別通過感測(cè)致動(dòng)(SNS ACT)開關(guān)121及驅(qū)動(dòng)致動(dòng)(DRV ACT)開關(guān)111提供用于MEMS傳感器的感測(cè)及驅(qū)動(dòng)電極的致動(dòng)電壓。此外，塊130(PM EXC)提供驅(qū)動(dòng)及感測(cè)環(huán)路兩者中的電容感測(cè)電路所需的檢測(cè)質(zhì)量塊激勵(lì)電壓。最終，感測(cè)電容/電壓轉(zhuǎn)換器123(C/V SNS)及驅(qū)動(dòng)電容/電壓轉(zhuǎn)換器113(C/V DRV)執(zhí)行對(duì)應(yīng)環(huán)路中的電容/電壓感測(cè)。

2-MEMS傳感器驅(qū)動(dòng)(DRV)環(huán)路110：

參考圖2A，驅(qū)動(dòng)環(huán)路110并入有實(shí)現(xiàn)MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)共振器119(包含機(jī)械元件，例如，懸掛質(zhì)量塊)的振蕩條件所需的相移115A(DRV相位)以及用以控制機(jī)械元件的振蕩振幅的自動(dòng)增益控制115B(AGC)。在所圖解說明的實(shí)施例中，ADC 117(舉例來說，其可實(shí)施為帶通ΣΔ調(diào)制器)將來自電路113的驅(qū)動(dòng)環(huán)路C/V輸出轉(zhuǎn)換成MEMS傳感器驅(qū)動(dòng)振蕩信號(hào)的單位讀數(shù)。

3-MEMS傳感器感測(cè)(SNS)環(huán)路120：

參考圖2B，在所圖解說明的實(shí)施例中，MEMS傳感器包含感測(cè)共振器129(包含機(jī)械元件，例如，懸掛質(zhì)量塊)。待感測(cè)的輸入信號(hào)(舉例來說，運(yùn)動(dòng))及感測(cè)致動(dòng)開關(guān)121的反饋信號(hào)輸出作用于感測(cè)共振器129上。如下文更充分地描述，在所圖解說明的實(shí)施例中，向驅(qū)動(dòng)共振器119及感測(cè)共振器129兩者施加由塊130(圖1)輸出的激勵(lì)信號(hào)EXC。

感測(cè)環(huán)路120執(zhí)行感測(cè)共振器129的機(jī)械元件的反饋(例如，力反饋)運(yùn)動(dòng)控制并提供數(shù)字輸出讀數(shù)。此通過針對(duì)感測(cè)模式使用機(jī)電ΣΔ調(diào)制器120’來實(shí)施閉環(huán)反饋(例如，力反饋)而實(shí)現(xiàn)。ASIC還可經(jīng)配置以在開環(huán)模式中操作。在此情況中，斷開感測(cè)環(huán)路(開關(guān)129，圖1)且更改電子濾波器H_x(z)系數(shù)，使得電子濾波器125作為ΣΔADC而操作。

4-數(shù)字處理核心(140，圖1)：

數(shù)字處理核心140對(duì)驅(qū)動(dòng)及感測(cè)環(huán)路(110、120)兩者的ΣΔ調(diào)制器的輸出進(jìn)行十中抽一取樣及濾波(141)，并執(zhí)行最終感測(cè)信號(hào)解調(diào)操作(143)。另外，數(shù)字處理核心140執(zhí)行MEMS傳感器讀數(shù)的溫度補(bǔ)償(145)并控制SPI接口150。在一個(gè)方面中，數(shù)字處理核心140用作靜電致動(dòng)控制器。另外，數(shù)字處理核心140可輸出用于減少致動(dòng)信號(hào)的不合意耦合的復(fù)位信號(hào)、停用信號(hào)或斷電信號(hào)，如下文所描述。

5-功率管理(160，圖1)：

此塊向不同的電路塊提供所有所需的偏置電流及供應(yīng)電壓。此外，其產(chǎn)生所需的高壓致動(dòng)參考信號(hào)。在所圖解說明的實(shí)施例中，產(chǎn)生并緩沖(163、165)帶隙參考電壓Vref(161)以用于ADC(117、125)且用于MEMS傳感器激勵(lì)及致動(dòng)(111、121、130)。功率管理塊160還負(fù)責(zé)產(chǎn)生ROM 170的操作必需的電壓。在所圖解說明的實(shí)施例中，電荷泵180用于此目的。

6-溫度感測(cè)系統(tǒng)(185，圖1)：

此塊感測(cè)裸片溫度并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字讀數(shù)。

7-計(jì)時(shí)PLL(190，圖1)

所述PLL產(chǎn)生系統(tǒng)的主時(shí)鐘。

ASIC自計(jì)時(shí)

在一個(gè)實(shí)施例中，使用ASIC自計(jì)時(shí)技術(shù)。此技術(shù)簡(jiǎn)化ASIC與不同MEMS傳感器模塊的介接。

反饋(例如，力反饋)操作減小系統(tǒng)對(duì)MEMS傳感器工藝變化的敏感性、增加帶寬且允許在匹配模式中操作。因此，閉環(huán)配置可在惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)最佳的性能。并入MEMS傳感器作為反饋(例如，力反饋)環(huán)路濾波器的一部分將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成具有由機(jī)械濾波器表示的連續(xù)時(shí)間(CT)部分及由電子濾波器表示的離散時(shí)間(DT)部分的混合式機(jī)電ΣΔ調(diào)制器。機(jī)械濾波器的CT性質(zhì)使ΣΔ調(diào)制器的性能對(duì)準(zhǔn)確的反饋脈沖形狀敏感。出于此原因，為使用力反饋實(shí)現(xiàn)最佳的性能，需要低抖動(dòng)時(shí)鐘。

圖1的ASIC使用PLL 190來產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘?？墒褂?舉例來說，驅(qū)動(dòng)共振器119的)MEMS傳感器振蕩的高Q共振來產(chǎn)生用于ASIC PLL 190的清潔參考時(shí)鐘，從而在ASIC輸出處導(dǎo)致低的噪聲最低值。因此，ASIC PLL 190不需要外部晶體作為參考時(shí)鐘，且ASIC變?yōu)樽杂?jì)時(shí)的。使用基于MEMS傳感器的參考時(shí)鐘允許使系統(tǒng)取樣頻率與機(jī)械驅(qū)動(dòng)共振頻率(例如，科里奧利(Coriolis)信號(hào)載波)之間的比率固定。因此，此布置實(shí)現(xiàn)與廣泛的MEMS傳感器模塊的介接。更特定來說，ASIC中的自計(jì)時(shí)技術(shù)允許驅(qū)動(dòng)環(huán)路110、感測(cè)環(huán)路120及DSP塊140跟蹤MEMS傳感器的頻率。因此，ASIC可與廣泛的MEMS傳感器頻率介接。

上文所描述的圖2A的驅(qū)動(dòng)環(huán)路結(jié)合PLL 190一起工作以實(shí)現(xiàn)自計(jì)時(shí)。由于ASIC為自計(jì)時(shí)的，因此通過PLL 190將ADC取樣頻率鎖定到MEMS傳感器共振頻率，PLL 190控制ADC 117的取樣頻率。

MEMS傳感器感測(cè)環(huán)路可利用ASIC的低抖動(dòng)自計(jì)時(shí)。在所圖解說明的實(shí)施例中，上文所描述的圖2B的MEMS傳感器感測(cè)環(huán)路是基于連續(xù)時(shí)間ΣΔ調(diào)制而實(shí)施的，因?yàn)樽杂?jì)時(shí)ASIC的低抖動(dòng)自計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)CT反饋(例如，力反饋)操作的較佳SNR。作為一實(shí)例，通過使用開關(guān)電容器電子濾波器125來實(shí)施4階機(jī)電ΣΔ調(diào)制器而實(shí)現(xiàn)所圖解說明的感測(cè)環(huán)路。調(diào)制器架構(gòu)可基于具有反饋分支的前饋拓?fù)湟允弓h(huán)路穩(wěn)定。由于使對(duì)連續(xù)時(shí)間ΣΔ操作的低抖動(dòng)自計(jì)時(shí)影響最小化，因此在輸出處出現(xiàn)的噪聲最低值得以最小化。此外，ASIC可通過使用PLL 190中的可編程除法器而與一系列MEMS傳感器模塊介接。

上文所描述的圖1的數(shù)字處理核心140對(duì)驅(qū)動(dòng)及感測(cè)環(huán)路(110、120)兩者的ΣΔ調(diào)制器的輸出進(jìn)行濾波，并使用解調(diào)器143執(zhí)行最終輸出解調(diào)。使用可編程十中抽一取樣濾波器141對(duì)解調(diào)輸出進(jìn)行十中抽一取樣。以MEMS傳感器共振頻率為中心的兩個(gè)帶通濾波器(1405，圖14)在對(duì)驅(qū)動(dòng)及感測(cè)環(huán)路兩者進(jìn)行倍增以進(jìn)行解調(diào)之前濾除其噪聲以避免所關(guān)注頻帶中量化噪聲的混合及降頻轉(zhuǎn)換。每一帶通濾波器(1405)的極點(diǎn)及零點(diǎn)隨著取樣頻率(取決于MEMS傳感器模塊)按比例縮放，且因此將隨著MEMS傳感器共振頻率的變化正確地調(diào)諧中心頻率。

具有經(jīng)改進(jìn)動(dòng)態(tài)范圍的致動(dòng)技術(shù)

在所圖解說明的實(shí)施例中，向驅(qū)動(dòng)共振器119及感測(cè)共振器129兩者施加激勵(lì)信號(hào)EXC(圖1)且檢測(cè)感測(cè)及驅(qū)動(dòng)環(huán)路(120、110)兩者中的電容變化需要所述激勵(lì)信號(hào)。此激勵(lì)信號(hào)應(yīng)不減小致動(dòng)信號(hào)(SNSACT、DRVACT)的有效性。

舉例來說，圖3圖解說明全差分MEMS傳感器的情況，其展示電極的布置。在感測(cè)環(huán)路中，與感測(cè)共振器(129，圖2B)相關(guān)聯(lián)的可變電容布置成“π”配置。第一致動(dòng)電容器Ca1及第二致動(dòng)電容器Ca2布置在π的臂中；感測(cè)電容器Cs1及Cs2布置在π的腿中且耦合到感測(cè)C/V轉(zhuǎn)換器123的輸入。在π的臂之間施加激勵(lì)信號(hào)EXC(還稱為檢測(cè)質(zhì)量塊電壓V_PM)。類似配置適用于驅(qū)動(dòng)共振器及驅(qū)動(dòng)環(huán)路。

由于在相應(yīng)共振器的檢測(cè)質(zhì)量塊上添加激勵(lì)信號(hào)EXC且由于致動(dòng)電容器(Ca)與檢測(cè)電容器(Cs)共享相同檢測(cè)質(zhì)量塊，因此激勵(lì)信號(hào)會(huì)影響致動(dòng)信號(hào)內(nèi)容及動(dòng)態(tài)范圍。

在以下靜電致動(dòng)技術(shù)中，使用激勵(lì)信號(hào)(用于檢測(cè)電容變化)來控制致動(dòng)信號(hào)位流的值以允許使致動(dòng)及檢測(cè)路徑兩者的動(dòng)態(tài)范圍最大化且防止由于與激勵(lì)信號(hào)的混合而使致動(dòng)位流的高頻分量折疊。

在所圖解說明的實(shí)施例中，可根據(jù)以下方程式來計(jì)算響應(yīng)于激勵(lì)信號(hào)而產(chǎn)生的靜電致動(dòng)力，其中將激勵(lì)信號(hào)EXC表示為Vpm：

F_actα((V_acl+-V_pm)²-(V_acl--V_pm)²) (1)

注意，(2)中的第三項(xiàng)將導(dǎo)致致動(dòng)動(dòng)態(tài)范圍的降級(jí)及由于與激勵(lì)信號(hào)的混合而使致動(dòng)信號(hào)的高階分量折疊兩者。圖4展示樣本致動(dòng)流的所得高階分量的實(shí)例。

過去的系統(tǒng)通常已被設(shè)計(jì)為在PM信號(hào)電平(V_pm)與致動(dòng)電壓電平之間折衷，此在減小V_pm值的情況下將降低檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍或在增加V_pm值的情況下將降低致動(dòng)動(dòng)態(tài)范圍。圖5展示一種致動(dòng)與檢測(cè)方案的波形。在此實(shí)例中，假定致動(dòng)信號(hào)具有電壓電平(V_ref1)，同時(shí)假定激勵(lì)信號(hào)具有電壓電平(V_ref2)。如果V_ref1＝V_ref2，那么有效致動(dòng)力動(dòng)態(tài)范圍等于零(正流與負(fù)流具有相同波形)。

假定V_ref1＝V_ref且V_ref2＝V_ref/2以作為致動(dòng)與檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍之間的折衷，那么會(huì)對(duì)致動(dòng)及檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍兩者引入6dB的降級(jí)。

為避免動(dòng)態(tài)范圍的此減損，可根據(jù)PM信號(hào)的當(dāng)前值來控制致動(dòng)信號(hào)的值，如圖6中所展示。塊600執(zhí)行數(shù)字處理與參考產(chǎn)生且可對(duì)應(yīng)于圖1的塊140及160。塊600接收感測(cè)及驅(qū)動(dòng)位流(SNS、DRV)。所述塊還使用激勵(lì)信號(hào)V_PM作為輸入信號(hào)來調(diào)節(jié)致動(dòng)信號(hào)。響應(yīng)于所述感測(cè)及驅(qū)動(dòng)位流并考慮到激勵(lì)信號(hào)V_PM，塊600輸出致動(dòng)信號(hào)，舉例來說，致動(dòng)信號(hào)Vsact+/Vsact-及Vdact+/Vdact。符號(hào)Vact+、Vact-用于一般指代這四個(gè)致動(dòng)信號(hào)。

針對(duì)方波激勵(lì)信號(hào)，可將致動(dòng)信號(hào)位流與PM信號(hào)進(jìn)行邏輯組合(例如，“異或”運(yùn)算或“異或非”運(yùn)算)。圖7展示致動(dòng)信號(hào)(Vact+、Vact-)、激勵(lì)信號(hào)及所得靜電力分量(以上方程式(1)中的第一及第二項(xiàng))的波形。在圖7中，將致動(dòng)位流與信號(hào)PM(V_pm)進(jìn)行“異或”運(yùn)算以產(chǎn)生Vact+，同時(shí)將致動(dòng)位流與PM信號(hào)進(jìn)行“異或非”運(yùn)算以產(chǎn)生Vact-。從圖7可看出，未發(fā)生高頻分量的折疊(即，致動(dòng)信號(hào)內(nèi)容保持完整無損)，且致動(dòng)力及激勵(lì)信號(hào)兩者由參考電壓的全動(dòng)態(tài)范圍表示。

圖8展示具有添加的歸零(RZ)選項(xiàng)的致動(dòng)及檢測(cè)波形，所述選項(xiàng)可用于連續(xù)時(shí)間致動(dòng)中來增強(qiáng)DAC的線性度。在一個(gè)方面中，可將塊600視為用于對(duì)致動(dòng)信號(hào)應(yīng)用歸零編碼的電路(或構(gòu)件)。

通過根據(jù)激勵(lì)信號(hào)的值來控制致動(dòng)流，可實(shí)現(xiàn)以下優(yōu)點(diǎn)：

-允許AC方波激勵(lì)

-使激勵(lì)對(duì)于致動(dòng)來說為透明的

-消除信號(hào)折疊

-使可用致動(dòng)動(dòng)態(tài)范圍最大化

-使可用檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍最大化

-允許較小的供應(yīng)電壓

致動(dòng)信號(hào)耦合消除

在反饋(例如，力反饋)系統(tǒng)中，在致動(dòng)電極上施加致動(dòng)流以在檢測(cè)質(zhì)量塊上產(chǎn)生某一移動(dòng)。(此反饋可在正反饋環(huán)路或負(fù)反饋環(huán)路中)。理想地，致動(dòng)電壓將根據(jù)機(jī)械元件的響應(yīng)特性而影響機(jī)械元件。

由于工藝不匹配及寄生電容，致動(dòng)位流可直接耦合到檢測(cè)電路，如圖9中所展示。非預(yù)期耦合路徑Ccop1及Ccop2分別從Vact+信號(hào)耦合到Cs1及Cs2信號(hào)。類似地，非預(yù)期耦合路徑Ccom1及Ccom2分別從Vact-信號(hào)耦合到Cs1及Cs2信號(hào)。此耦合可在一個(gè)通道的致動(dòng)流與相同通道的檢測(cè)路徑或甚至不同的通道之間發(fā)生(例如，SNS模式到SNS模式耦合或SNS模式到DRV模式耦合)。

明顯地，這些耦合路徑可使信號(hào)失真且導(dǎo)致檢測(cè)前端電路的性能的嚴(yán)重降級(jí)。在SNS模式中此效應(yīng)會(huì)增大，因?yàn)榧纳娙?工藝不匹配約為檢測(cè)電容變化(例如，圖9的Cs1、Cs2)。

可通過在如圖11中所展示的致動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變期間(舉例來說)使用如圖10中所展示的復(fù)位信號(hào)RST執(zhí)行檢測(cè)電路及MEMS檢測(cè)電極中的至少一者且優(yōu)選地兩者的停用/復(fù)位來克服此耦合的效應(yīng)。更一般來說，可使用控制信號(hào)對(duì)選定電路元件進(jìn)行復(fù)位、停用或斷電。在圖11的實(shí)施例中，向C/V SNS檢測(cè)電路123且向C/V DRV檢測(cè)電路113施加復(fù)位信號(hào)RST。另外，在MEMS傳感器的感測(cè)電極與MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)電極之間提供模擬開關(guān)SWs及SWd。使用復(fù)位信號(hào)RST來控制開關(guān)SWs及SWd，從而致使其在復(fù)位信號(hào)被斷言時(shí)閉合。對(duì)檢測(cè)電路(113、123)及MEMS電極進(jìn)行復(fù)位消除致動(dòng)信號(hào)的寄生耦合路徑的效應(yīng)。

為允許在存在復(fù)位脈沖RST的情況下檢測(cè)激勵(lì)信號(hào)邊緣，可引入激勵(lì)信號(hào)與致動(dòng)信號(hào)邊緣之間的時(shí)間不匹配(t_mismatch，圖12)。此外，可將前述耦合消除技術(shù)與先前所描述的動(dòng)態(tài)范圍改進(jìn)技術(shù)一起使用。圖12中展示所得波形。圖13展示樣本時(shí)序圖，其中：1)添加致動(dòng)與檢測(cè)信號(hào)之間的時(shí)序不匹配；2)施加具有RZ的“異或”致動(dòng)，如先前所描述；及3)在用于“異或”致動(dòng)的致動(dòng)信號(hào)邊緣周圍添加用于檢測(cè)電極及電路的復(fù)位/停用脈沖RST。

使用前述技術(shù)來消除反饋(例如，力反饋)系統(tǒng)中的致動(dòng)與檢測(cè)之間的寄生路徑的效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)以下優(yōu)點(diǎn)：

-允許ΣΔ致動(dòng)信號(hào)

-去除致動(dòng)信號(hào)與不同檢測(cè)通道之間的耦合

-使可用致動(dòng)動(dòng)態(tài)范圍最大化

-避免對(duì)降低致動(dòng)信號(hào)以降低經(jīng)耦合信號(hào)的需要

-使可用檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍最大化

-允許針對(duì)檢測(cè)信號(hào)完全分配檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍

-去除對(duì)復(fù)雜修整的需要

-去除對(duì)模擬或數(shù)字域中的復(fù)雜信號(hào)處理的需要

具有感測(cè)與驅(qū)動(dòng)環(huán)路之間的精細(xì)相位調(diào)諧的解調(diào)

參考圖14及圖2B，SNS環(huán)路輸出(out，圖2B)處的SNSΣΔ位流1401含有以DRV信號(hào)頻率進(jìn)行AM調(diào)制的輸入信號(hào)(input signal，圖2B)。因此，為解調(diào)位流以取得原始信號(hào)，使用倍增器1403對(duì)DRV及SNS信號(hào)(1401、1402)進(jìn)行倍增以獲得如圖14中所展示的信號(hào)解調(diào)輸出。可在倍增之前使用兩個(gè)帶通濾波器(BPF)1405s及1405d去除ΣΔ噪聲。為了使經(jīng)解調(diào)信號(hào)具有最低可能DC分量，可施加SNS與DRV位流(1401、1402)之間的相位調(diào)整(1407，圖14)?？赏ㄟ^向SNS位流1401或DRV位流1402添加延遲來實(shí)現(xiàn)此相位調(diào)整。在一個(gè)實(shí)施例中，可使用可編程移位寄存器來實(shí)施相位調(diào)整1407—即，可使信號(hào)延遲操作時(shí)鐘周期的倍數(shù)。然而，如果系統(tǒng)時(shí)鐘周期相對(duì)較大，那么此技術(shù)可僅添加粗略的相移。舉例來說，如果MEMS傳感器共振處于3kHz且系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為400kHz，那么可使用此移位寄存器添加的最小相移為：

如果所需的相移為約87°，那么移位寄存器長(zhǎng)度應(yīng)大于32個(gè)位。為了在相位調(diào)整中取得精細(xì)調(diào)諧，可增加時(shí)鐘頻率；然而，此增加系統(tǒng)的功率消耗及關(guān)于時(shí)序的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。此外，由于為取得所需的相移而在移位寄存器中添加寄存器，面積會(huì)增加。舉例來說，如果所需的相位分辨率為那么時(shí)鐘頻率應(yīng)增加到4倍。另外，如果所需的相移為約87°，那么移位寄存器長(zhǎng)度應(yīng)大于128個(gè)位，此為在先前情況中移位寄存器的長(zhǎng)度的四倍。

為了在不招致顯著的功率或面積代價(jià)的情況下獲得準(zhǔn)確的相位調(diào)整，BPF 1405(其已用于去除SD噪聲)可經(jīng)配置以通過在BPF的中心頻率中引入某一偏移而實(shí)現(xiàn)精細(xì)相位調(diào)諧?？杀３忠莆患拇嫫?407以用于粗略調(diào)諧。

作為一實(shí)例，圖15中展示可在圖1的ASIC中使用的濾波器的傳遞函數(shù)。在所圖解說明的實(shí)施例中，兩個(gè)濾波器為相同的，均具有以MEMS傳感器共振為中心的200Hz帶寬。因此，由相應(yīng)濾波器向SNS及DRV信號(hào)添加的相位為完全相同的相位。為在相位調(diào)整中添加精細(xì)調(diào)諧，可使兩個(gè)濾波器的中心頻率彼此相差極小的差。如圖15中所展示，濾波器的相位響應(yīng)在中心頻率下極銳利。因此，使驅(qū)動(dòng)(或感測(cè))濾波器的中心略微移位可添加所需的相移。舉例來說，略微改變?yōu)V波器中的一者的中心頻率可意味著，其中的一者可以3kHz為中心，而另一者以3.01kHz為中心。因此，兩個(gè)濾波器關(guān)于量值近似一致，而兩個(gè)濾波器的相移將不同以便產(chǎn)生所需值的凈相移。

如圖16中所展示，如果濾波器的中心頻率相差10Hz，那么兩個(gè)濾波器之間的相移為約0.04弧度(～2.7°)。在所圖解說明的實(shí)施例中，2.7°為需要由濾波器添加的最大相移，因?yàn)榭赏ㄟ^粗略調(diào)諧(舉例來說，使用如所描述的移位寄存器)直接添加以2.7°為增量的相移。因此，在所圖解說明的實(shí)施例中，作為大致估計(jì)，兩個(gè)濾波器的中心頻率可相差小于10Hz以取得小于2.7°的精細(xì)相移。

在一些實(shí)施例中，中心頻率可為固定的。在其它實(shí)施例中，中心頻率可為可調(diào)整的。

使用前述技術(shù)實(shí)現(xiàn)反饋(例如，力反饋)系統(tǒng)中的感測(cè)與驅(qū)動(dòng)路徑之間的精細(xì)相位調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)以下優(yōu)點(diǎn)：

-允許獲得具有低DC分量的經(jīng)解調(diào)輸出

-避免由其它方法強(qiáng)加的功率及面積代價(jià)

在附錄I及附錄II中闡述本發(fā)明的額外方面。

所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明了，可以其它特定形式來體現(xiàn)本發(fā)明，此并不背離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征。因此，前述描述應(yīng)被視為說明性而非限制性。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而非前述描述界定，且本發(fā)明中既定包含歸屬于其等效內(nèi)容的范圍內(nèi)的所有改變。

附錄I

1、一種用于與MEMS傳感器介接的集成電路，其包括：

靜電致動(dòng)控制器，其經(jīng)配置以產(chǎn)生致動(dòng)信號(hào)及激勵(lì)信號(hào)且接收感測(cè)信息信號(hào)；及

感測(cè)電容/電壓轉(zhuǎn)換器，其響應(yīng)于來自所述MEMS傳感器的信號(hào)而用于產(chǎn)生感測(cè)信號(hào)；

其中所述靜電致動(dòng)控制器經(jīng)配置以在所述致動(dòng)信號(hào)的至少一些信號(hào)轉(zhuǎn)變期間向所述感測(cè)電容/電壓轉(zhuǎn)換器施加控制信號(hào)以致使其被復(fù)位、停用或斷電。

2、根據(jù)方面1所述的設(shè)備，其包括：

驅(qū)動(dòng)電容/電壓轉(zhuǎn)換器，其響應(yīng)于來自所述MEMS傳感器的信號(hào)而用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)；及

解調(diào)器，其耦合到所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)及所述感測(cè)信號(hào)以用于解調(diào)由所述感測(cè)信號(hào)攜載的感測(cè)信息以產(chǎn)生所述感測(cè)信息信號(hào)。

3、根據(jù)方面1所述的設(shè)備，其中所述靜電致動(dòng)控制器經(jīng)配置以用于對(duì)所述激勵(lì)信號(hào)及所述致動(dòng)信號(hào)進(jìn)行定時(shí)使得所述致動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)變的發(fā)生比所述激勵(lì)信號(hào)的轉(zhuǎn)變略早時(shí)間t_mismatch。

4、根據(jù)方面1所述的設(shè)備，其中所述靜電致動(dòng)控制器經(jīng)配置以用于對(duì)所述激勵(lì)信號(hào)及所述控制信號(hào)進(jìn)行定時(shí)以便致使所述激勵(lì)信號(hào)響應(yīng)于所述控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉亲饔脿顟B(tài)而轉(zhuǎn)變。

5、一種與包括懸掛質(zhì)量塊的MEMS傳感器介接的方法，所述方法包括：

響應(yīng)于由所述MEMS傳感器輸出的感測(cè)信號(hào)，感測(cè)由所述質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的電容變化；

產(chǎn)生待施加到所述MEMS傳感器以用于致使對(duì)所述質(zhì)量塊施加影響的致動(dòng)信號(hào)及待施加到所述MEMS傳感器的至少一個(gè)感測(cè)電容器的激勵(lì)信號(hào)；及

在所述致動(dòng)信號(hào)的至少一些信號(hào)轉(zhuǎn)變期間，響應(yīng)于控制信號(hào)而對(duì)所述感測(cè)進(jìn)行復(fù)位、停用或斷電。

6、根據(jù)方面5所述的方法，其包括對(duì)所述激勵(lì)信號(hào)及所述致動(dòng)信號(hào)進(jìn)行定時(shí)使得所述致動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)變的發(fā)生比所述激勵(lì)信號(hào)的轉(zhuǎn)變略早時(shí)間t_mismatch。

7、根據(jù)方面5所述的方法，其包括對(duì)所述激勵(lì)信號(hào)及所述控制信號(hào)進(jìn)行定時(shí)以便致使所述激勵(lì)信號(hào)響應(yīng)于所述控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉亲饔脿顟B(tài)而轉(zhuǎn)變。

8、根據(jù)方面5所述的方法，其包括對(duì)所述激勵(lì)信號(hào)及另一信號(hào)應(yīng)用邏輯運(yùn)算以獲得所述致動(dòng)信號(hào)。

9、根據(jù)方面8所述的方法，其中所述邏輯運(yùn)算為“異或”及“異或非”運(yùn)算中的一者。

10、根據(jù)方面9所述的方法，其包括對(duì)所述致動(dòng)信號(hào)應(yīng)用歸零編碼。

11、根據(jù)方面5所述的方法，其中使用電容/電壓轉(zhuǎn)換器來執(zhí)行感測(cè)電容變化，包括響應(yīng)于所述控制信號(hào)而對(duì)所述電容/電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行復(fù)位。

12、根據(jù)方面11所述的方法，其包括響應(yīng)于所述控制信號(hào)而將所述感測(cè)信號(hào)設(shè)定為已知值。

13、根據(jù)方面5所述的方法，其包括響應(yīng)于所述控制信號(hào)而將所述感測(cè)信號(hào)設(shè)定為已知值。

14、根據(jù)方面13所述的方法，其中使用電容/電壓轉(zhuǎn)換器來執(zhí)行所述感測(cè)電容變化，包括響應(yīng)于所述控制信號(hào)而對(duì)所述電容/電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行復(fù)位。

15、根據(jù)方面13所述的方法，其中所述感測(cè)信號(hào)為包括正信號(hào)及負(fù)信號(hào)的差分信號(hào)，所述方法包括將所述正信號(hào)與所述負(fù)信號(hào)設(shè)定為相等。

16、一種用于與包括懸掛質(zhì)量塊的MEMS傳感器介接的集成電路，所述集成電路包括：

感測(cè)電路，其響應(yīng)于由所述MEMS傳感器輸出的感測(cè)信號(hào)而用于感測(cè)由所述質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的電容變化；

控制電路，其用于向所述MEMS傳感器施加用以致使對(duì)所述質(zhì)量塊施加影響的致動(dòng)信號(hào)及待施加到所述MEMS傳感器的至少一個(gè)感測(cè)電容器的激勵(lì)信號(hào)；及

用于在所述致動(dòng)信號(hào)的至少一些信號(hào)轉(zhuǎn)變期間向所述感測(cè)電路施加控制信號(hào)以對(duì)所述感測(cè)電路進(jìn)行復(fù)位、停用或斷電的電路。

17、根據(jù)方面16所述的設(shè)備，其中所述控制電路經(jīng)配置以用于對(duì)所述激勵(lì)信號(hào)及所述致動(dòng)信號(hào)進(jìn)行定時(shí)使得所述致動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)變的發(fā)生比所述激勵(lì)信號(hào)的轉(zhuǎn)變略早時(shí)間t_mismatch。

18、根據(jù)方面16所述的設(shè)備，其中所述控制電路及所述復(fù)位電路經(jīng)配置以用于對(duì)所述激勵(lì)信號(hào)及所述控制信號(hào)進(jìn)行定時(shí)以便致使所述激勵(lì)信號(hào)響應(yīng)于所述控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉亲饔脿顟B(tài)而轉(zhuǎn)變。

19、根據(jù)方面16所述的設(shè)備，其包括用于對(duì)所述激勵(lì)信號(hào)及另一信號(hào)應(yīng)用邏輯運(yùn)算以獲得所述致動(dòng)信號(hào)的電路。

20、根據(jù)方面19所述的設(shè)備，其中所述邏輯運(yùn)算為“異或”及“異或非”運(yùn)算中的一者。

21、根據(jù)方面20所述的設(shè)備，其包括用于對(duì)所述致動(dòng)信號(hào)應(yīng)用歸零編碼的電路。

22、根據(jù)方面16所述的設(shè)備，其中所述感測(cè)電路包括電容/電壓轉(zhuǎn)換器，其中響應(yīng)于所述控制信號(hào)而對(duì)所述電容/電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行復(fù)位。

23、根據(jù)方面22所述的設(shè)備，其中所述感測(cè)電路包括用于響應(yīng)于所述控制信號(hào)而將所述感測(cè)信號(hào)設(shè)定為已知值的構(gòu)件。

24、根據(jù)方面16所述的設(shè)備，其中所述感測(cè)電路包括用于響應(yīng)于所述控制信號(hào)而將所述感測(cè)信號(hào)設(shè)定為已知值的構(gòu)件。

25、根據(jù)方面24所述的設(shè)備，其中所述感測(cè)電路包括電容/電壓轉(zhuǎn)換器，其中響應(yīng)于所述控制信號(hào)而對(duì)所述電容/電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行復(fù)位。

26、根據(jù)方面24所述的設(shè)備，其中所述感測(cè)信號(hào)為包括正信號(hào)及負(fù)信號(hào)的差分信號(hào)，其中所述用于設(shè)定的構(gòu)件經(jīng)配置以將所述正信號(hào)與所述負(fù)信號(hào)設(shè)定為相等。

27、根據(jù)方面26所述的設(shè)備，其中所述用于設(shè)定的構(gòu)件包括模擬開關(guān)。

附錄II

1、一種用于與MEMS傳感器介接的集成電路，其包括：

靜電致動(dòng)控制器，其經(jīng)配置以產(chǎn)生致動(dòng)信號(hào)及激勵(lì)信號(hào)且接收感測(cè)信息信號(hào)；

驅(qū)動(dòng)電容/電壓轉(zhuǎn)換器，其響應(yīng)于來自所述MEMS傳感器的信號(hào)而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)；及感測(cè)電容/電壓轉(zhuǎn)換器，其響應(yīng)于來自所述MEMS傳感器的信號(hào)而用于產(chǎn)生感測(cè)信號(hào)；

解調(diào)器，其耦合到所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)及所述感測(cè)信號(hào)以用于解調(diào)由所述感測(cè)信號(hào)攜載的感測(cè)信息以產(chǎn)生所述感測(cè)信息信號(hào)；及

時(shí)間對(duì)準(zhǔn)電路，其耦合所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)及所述感測(cè)信號(hào)中的至少一者以用于在倍增之前通過在所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)與所述感測(cè)信號(hào)之間形成相對(duì)延遲來執(zhí)行所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)及所述感測(cè)信號(hào)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，所述時(shí)間對(duì)準(zhǔn)電路包括：

精細(xì)時(shí)間延遲電路，其包括經(jīng)配置以在所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)與所述感測(cè)信號(hào)之間形成精細(xì)時(shí)間延遲的至少一個(gè)濾波器。

2、根據(jù)方面1所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括耦合到所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)及所述感測(cè)信號(hào)中的一者的粗略時(shí)間延遲電路。

3、根據(jù)方面2所述的設(shè)備，其中所述粗略時(shí)間延遲電路包括可編程移位寄存器。

4、一種處理包含驅(qū)動(dòng)信號(hào)及感測(cè)信號(hào)的MEMS傳感器信號(hào)以用于檢測(cè)由MEMS傳感器的質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的電容變化的方法，所述方法包括：

對(duì)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)及所述感測(cè)信號(hào)進(jìn)行倍增；及

在倍增之前，通過在所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)與所述感測(cè)信號(hào)之間形成相對(duì)延遲執(zhí)行所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)及所述感測(cè)信號(hào)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，其中形成相對(duì)延遲包括：

執(zhí)行所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)及所述感測(cè)信號(hào)中的至少一者的濾波以便在所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)與所述感測(cè)信號(hào)之間形成精細(xì)時(shí)間延遲。

5、根據(jù)方面4所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)與所述感測(cè)信號(hào)之間形成粗略時(shí)間延遲。

6、根據(jù)方面5所述的方法，其中使用可編程移位寄存器來執(zhí)行形成所述粗略時(shí)間延遲。

7、根據(jù)方面4所述的方法，其中形成所述精細(xì)時(shí)間延遲包括：

使用第一濾波器對(duì)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波；及

使用第二濾波器對(duì)所述感測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波；

其中所述第一濾波器及所述第二濾波器具有不同時(shí)間延遲。

8、根據(jù)方面7所述的方法，其中所述第一濾波器及所述第二濾波器具有不同中心頻率。

9、根據(jù)方面8所述的方法，其中所述第一濾波器及所述第二濾波器為帶通濾波器。

10、一種用于處理包含驅(qū)動(dòng)信號(hào)及感測(cè)信號(hào)的MEMS傳感器信號(hào)以用于檢測(cè)由MEMS傳感器的質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的電容變化的集成電路，所述方法包括：

用于對(duì)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)及所述感測(cè)信號(hào)進(jìn)行倍增的電路；及

耦合到所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)及所述感測(cè)信號(hào)中的至少一者以用于在倍增之前通過在所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)與所述感測(cè)信號(hào)之間形成相對(duì)延遲執(zhí)行所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)及所述感測(cè)信號(hào)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)的電路，所述用于執(zhí)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)的電路包括：

精細(xì)時(shí)間延遲電路，其包括經(jīng)配置以在所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)與所述感測(cè)信號(hào)之間形成精細(xì)時(shí)間延遲的至少一個(gè)濾波器。

11、根據(jù)方面10所述的設(shè)備，其中所述用于執(zhí)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)的電路進(jìn)一步包括粗略時(shí)間延遲電路。

12、根據(jù)方面11所述的設(shè)備，其中所述粗略時(shí)間延遲電路包括可編程移位寄存器。

13、根據(jù)方面10所述的設(shè)備，其中所述精細(xì)時(shí)間延遲電路包括：

第一濾波器，其用于對(duì)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波；及

第二濾波器，其用于對(duì)所述感測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波；

其中所述第一濾波器及所述第二濾波器經(jīng)配置以具有不同時(shí)間延遲。

14、根據(jù)方面13所述的設(shè)備，其中所述第一濾波器及所述第二濾波器具有不同中心頻率。

15、根據(jù)方面14所述的設(shè)備，其中所述第一濾波器及所述第二濾波器為帶通濾波器。