[发明专利]微机电感应电容电压的转换装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电感应电容电压的转换装置，特别是通过模拟至数字转换器转换成数字信号。 

背景技术

近年来，微机电(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)已被广泛的应用于不同的消费电子领域，其中最受人瞩目的有任天堂新近推出的Wii游戏机，其特色便是以MEMS技术为基础的三轴加速度传感器，并配合无线控制器，以达到高度创新性的娱乐效果。 

MEMS为一个智慧型微小化的系统，通常具有感测器、处理器或致动器，因此在单一晶片或多晶片中整合多个电子、机械、光学、化学、生物、磁学的功能，可应用至制造业、自动化、资讯与通讯、航太工业、交通运输、土木营建、环境保护、农林渔牧业。 

为了发挥的功能，需要适当的模拟至数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)将MEMS的模拟输出信号转换成数字信号，以供后续的数字处理器进行适当的数据处理，而∑-Δ(Sigma-Delta)ADC是其中较常使用的ADC。 

图1为现有技术中微机电感应电容电压转换装置的功能方块图。如图1所示，微机电感应电容电压转换装置1包括微机电感测器10、感测放大器20、偏压电路30以及ADC 40，其中感测放大器20将微机电感测器10的输出信号进行放大处理，再通过ADC 40转换成数字信号，而偏压电路30提供适当的偏压电压给感测放大器20与ADC 40。 

图2是图1的较详细示意图，其中微机电感测器10的电气模型是以微机电电容CS以及偏压输入阻抗R表示，微机电电容CS因外在环境变化所导致 的电容变化ΔCS约为50f，而在偏压电压Vbias为10V下，微机电电容CS的电压变化ΔVCS约1mV，经感测放大器20放大后输入给ADC 40。以一阶∑-ΔADC的架构为例，ADC 40具有第一级转换电路41以及比较器45，其中第一级转换电路41包括减法器42、加法器43、延迟器44以及数字至模拟转换器(Digital-to-analog converter，DAC)46，DAC 46将比较器45的数字输出电压Vout转换成模拟信号，经减法器42取出感测放大器20的输出信号与DAC 46的输出信号的差额，再经加法器43加上延迟器44的输出信号，并输出给延迟器44，以完成整个ADC操作。因∑-ΔADC为公知技术，在此仅作摘要性说明。 

此外，在一般的∑-ΔADC架构中，为提高ADC的分辨率，常常使用多级串接的架构，即第一级转换电路41的输出信号可传送给下一级的转换电路，而最后一级的转换器才连接到比较器。 

然而，现有技术的缺点为需要能产生高电压的偏压电压的偏压电路(大约10V以上)，以提高对MEMS的感测灵敏度，因MEMS的灵敏度随着偏压电压值的上升而提高，对于一般的集成电路制程而言，具有相当严苛的挑战，且不容易整合到其它现有低压操作的功能方块中。 

现有技术的另一缺点为需要高质量的放大器，以便将约1mV的MEMS输出信号转换到ADC可处理的电压范围内，而建置该放大器需占用相当大的芯片面积，使得芯片成本升高，同时放大器的偏置(Offset)及增益(Gain)，噪声(Noise)，均会增加讯号的误差。 

因此，需要一种能直接通过ADC将MEMS的低水平输出信号转换成数字信号的转换装置，省去感测放大器以及偏压电路，进而缩小芯片面积。 

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种微机电感应电容电压的转换装置，利用模拟至数字转换器、参考电压电路、多个切换开关以及控制器，将微机电电容上的感应电压转换成数字信号，而不需额外建置高压的偏压电路以及高质量的感测放大器，其中该模拟至数字转换器具有复数级积分器以及比较器，利 用参考电压电路产生所需的参考电压，配合控制器所产生的开关信号，对切换开关进行切换开关操作，以产生相对于微机电感应电容电压的数字信号。 

本发明实施例的另一目的在于提供一种微机电感应电容电压的转换装置，利用具差额积分器的差额型模拟至数字转换器，将微机电感应电容电压以差额方式转换成数字信号，以提高抗噪声干扰的能力。 

本发明实施例的另一目的在于提供一种微机电感应电容电压的转换装置，能将多个微机电感应电容电压，利用具差额积分器的差额型模拟至数字转换器，以差额方式转换成数字信号，以节省芯片面积，提高整合功能，进而扩大应用领域。