[发明专利]电容性微机械传感器力反馈模式接口系统

说明书

背景技术

微机械惯性传感器已变成例如手持式移动终端、相机及游戏控制器等许多消费品的整体部分。另外，微机械惯性传感器广泛用于行业中的振动监测、汽车安全及稳定性控制以及导航中。大体来说，微传感器的读出机构可为压电的、压阻的或电容性的。然而，电容性感测的高热稳定性及敏感性使其对广泛范围的应用更具吸引力。典型电容性传感器接口电路由电容/电压转换器(C/V)构成、后续接着模/数转换器(A/D)及信号调节电路。将传感器及C/V并入基于Σ-Δ的力反馈环路提供许多益处，例如减小对传感器过程及温度变化的敏感性、改进系统带宽及增加动态范围。另外，基于Σ-Δ的环路提供隐含的模/数转换，从而消除对独立A/D的需要。

电容性惯性MEMS传感器展现二阶低通传递函数。在一些系统中，MEMS用作Σ-Δ环路滤波器，从而产生二阶电子机械Σ-Δ环路。然而，仅依赖于MEMS作为滤波元件由于增加的量化噪声而产生分辨率损失。增加的量化噪声由电子噪声所导致的减小的有效Σ-Δ环路量化器增益产生。为避免此分辨率损失，电子滤波器可引入到环路。额外电子滤波器对于加速度计传感器(加速度计传感器是用于测量线性加速度的装置)可为一阶或二阶的。针对特定陀螺仪系统(陀螺仪装置用于以度/秒为单位测量角速度)，二阶滤波器用于实施可在远离DC的噪声传递函数中产生陷波的谐振器，从而产生四阶调制器。

理想上，电容性惯性MEMS传感器将表现为具有单个谐振频率的二阶集中质量-阻尼器-弹簧系统。然而，事实上，传感器是具有额外寄生谐振模式的散布式元件。这些寄生模式可导致Σ-Δ调制器的不稳定性。

以下参考文献(下文分别称为西格(Seeger)、塞特科夫(Petkov)、埃泽奎(Ezekwe))解决存在寄生模式的情况下的电子机械Σ-Δ环路稳定性的问题：

在赛普拉斯(Proc)固态传感器及致动器研讨会数字科技报(2000年6月，第296到299页)中，J.I.西格、X.蒋(Jiang)、M.克拉夫特(Kraft)及B.E.波沙(Boser)的“感测Σ-Δ力反馈陀螺仪中的指状物动态(Sense Finger Dynamics in a Sigma Delta Force Feedback Gyroscope)”。

V.P.塞特科夫的“用于微机械惯性传感器的高阶Σ-Δ接口(High-orderΣ-ΔInterface for Micromachined Inertial Sensors)”(加州大学伯克利分校电工程及计算机科学系：博士学位论文(2004年))。

C.D.埃泽奎的“用于高Q微机械振动速率陀螺仪的读出技术(Readout Techniques for High-Micromachined Vibratory Rate Gyroscopes)”(加州大学伯克利分校电工程及计算机科学系：博士学位论文(2007年))。

稳定存在高Q寄生模式的情况下的环路是挑战性问题。根据一些看法，必须借助适当的机械设计来解决高Q寄生模式，如仅使用电子技术是不成功的[塞特科夫]。

在西格中，考虑二阶电子机械Σ-Δ环路的稳定性且建议维持系统取样频率与寄生模式频率之间的特定关系。然而，西格专用于具有低质量因子(Q)寄生模式的二阶环路(不并入电子滤波器的环路)，且不适用于较高阶环路或不适用于高Q寄生模式的情形。另一方面，在塞特科夫中，在大气压力下测试所述系统，借此确保充分阻尼高频率模式。因此，在实践中，塞特科夫仅适用于低Q寄生模式。

埃泽奎解决高Q寄生模式。然而，所提议解决方案使用正反馈技术，从而产生难以设计、优化及调谐的嵌套的反馈环路。更特定来说，在埃泽奎中，采纳正反馈Σ-Δ环路。为避免归因于正反馈的不稳定性，通过将伪随机信号注入所述环路而将DC增益设定成低于1。在DC处使DC增益低于1使所得系统不足以用于加速度计，且将其用途限制于陀螺仪，因为此条件减小频带内噪声衰减。DC增益的损失还导致在量化器之前的偏移积累，此需要额外调节环路。所得系统由难以设计、优化及调谐的嵌套环路组成。

图1中展示具有前馈求和的电子四阶Σ-Δ调制器(调制器具有四个积分器)。此电子调制器可形成电子机械Σ-Δ电容性接口电路的基础，如本文中所展示。

发明内容

在存在高Q寄生模式的情况下稳定Σ-Δ电子机械环路的问题得到解决。在一个实施例中，将二阶有限脉冲响应(FIR)滤波器引入到Σ-Δ电子机械环路中稳定所述环路。此解决方案由理论结果及经验结果两者支持且比其它所提议技术简单得多。