一种MEMS传感器控制器电路制造技术

本发明专利技术涉及MEMS技术领域，特别是涉及一种MEMS传感器控制器电路，包括：检测单元，将来自MEMS传感器的原始模拟信号转换为模拟电压信号；模数转换单元，将所述模拟电压信号转换为数字信号：环路滤波单元，用于调节控制电路系统参数；量化单元，用于转换数字信号位宽；反馈单元，用于产生反馈信号，调节MEMS传感元件。机械零点调节单元，用于接收量化单元和模数转换单元输出的信号，调节系统参数。本发明专利技术通过引入机械零点调节单元以及对环路滤波单元的改进实现了MEMS传感器系统全自由度的辨识和可调，在增加系统稳定性的同时提高了系统精度。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS传感器控制器电路
本专利技术涉及MEMS
，特别是涉及一种MEMS传感器控制器电路。
技术介绍
MEMS技术是在传统半导体工艺的基础上发展而来，MEMS传感器具有体积小、能耗低等优点，在医疗、汽车、物联网等领域具有广泛应用。MEMS传感器通常由敏感检测单元、控制电路以及封装外壳等结构构成。现有MEMS传感器控制电路从结构分为闭环结构和开环结构，从输出信号分为模拟信号输出和数字信号输出。开环结构的传感器控制电路在稳定性、线性度和动态范围等性能上都不如闭环结构的控制电路；数字信号输出的控制电路方便后续处理，如信号处理，储存，传输都比模拟信号方便，同时数字信号抗干扰能力更强。MEMS传感器所采集到的原始信号为模拟信号，为了实现数字信号输出，本专利技术人在CN201610876016专利中，通过在闭环回路中嵌入低精度ADC，实现了部分控制电路的数字化。但是数字闭环控制电路在起到检测信号，将传感器感知的物理量转换成数字电信号功能的同时，还要对闭环系统进行控制，保证闭环系统的稳定性。由于MEMS传感元件将感知的物理量转换成电信号时，往往存在中间的物理量，而这些中间的物理量发生在传感元件内部，数字闭环控制电路不能直接得到，甚至无法得到，这样在设计数字闭环伺服控制系统时，就丢失了一些自由度，给闭环系统的设计带来困难。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种MEMS传感器控制器电路，包括检测单元，用于接收来自MEMS传感器的原始模拟信号，将其转换为模拟电压信号；模数转换单元，用于接收检测单元输出的信号，将所述模拟电压信号转换为数字信号：环路滤波单元，用于接收模数转换单元和量化单元输出的信号，调节控制电路系统参数；量化单元，用于接收环路滤波单元输出的信号，并转换数字信号位宽；反馈单元，用于接收量化单元输出的信号，产生反馈信号，调节MEMS传感元件。机械零点调节单元，用于接收量化单元和模数转换单元输出的信号，调节系统参数。在一种实施例中，所述模数转换单元是逐次逼近型模数转换器。在一种实施例中，所述环路滤波单元包括数字积分器、数字乘法器和数字加法器。在一种实施例中，所述量化单元转换后的数字信号位宽小于6-bit。在一种实施例中，所述反馈单元包括数模转换单元和开关单元。本专利技术实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本专利技术通过引入机械零点调节单元，实现了对传感元件位移信号的提取，同时通过对环路滤波单元的改进，使得传统控制系统设计方法中丢失的设计自由度成为可控的量，这样在闭环系统设计时，可以不需要加入补偿器就能维持闭环系统的稳定性，简化了闭环系统的设计，避免加入的补偿器损害系统的其他性能。进一步的，本专利技术所述控制电路因为有足够的自由度来设计闭环系统，因此可设计出全局最优的系统，从而大幅度提高系统性能。进一步的，本专利技术将信号处理单元设置在闭环环路外，使得信号的处理不会影响闭环系统的稳定性，极大的缓和了闭环系统稳定性和系统其他性能的冲突，特别是对于含有高品质因数MEMS传感元件的闭环系统。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：图1示出了本专利技术实施例中的MEMS传感器控制器电路的结构示意图。图2示出了本专利技术实施例中的MEMS传感器控制器电路的详细结构示意图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。本专利技术实施例提供一种MEMS传感器控制电路，所述控制电路与MEMS传感元件一起构成MEMS传感器系统。MEMS传感元件根据其工作原理的不同，其基本数学模型也不同，具体的，不同的数学系统模型具有不同的阶数，本专利技术尤其适用于数学原理为二阶系统的MEMS传感元件，进一步的，本专利技术尤其可用于MEMS加速度传感器的控制电路，更进一步的，本专利技术针对电容式MEMS加速度传感器具有最好的调理控制效果，所形成的MEMS传感器性能最优。由于MEMS传感器系统同时包含控制电路系统和MEMS传感器元件的机械系统，二者均是独立的系统，具有独自的传递函数，因此所组成的大系统往往是具有多个自由度的复杂系统，而本领域技术人员在设计控制电路时，通常未能意识到在现有设计方法中会造成自由度的丢失，针对由此产生的系统不稳定的问题，通常是直接通过补偿的方式来维持闭环系统稳定，这样设计出来的闭环系统并不是全局最优的系统，而且加入的补偿器虽然维持了闭环系统的稳定，但会损害系统的其他性能，比如精度等。此外，通过这种方式来设计一个较好的闭环系统，往往非常费时。本专利技术所提供控制电路结构实现了全自由度的辨识和调节。本专利技术所述电路结构包括：检测单元、模数转换单元、反馈单元、环路滤波单元、量化单元、机械零点调节单元，具体的：检测单元，用于接收来自MEMS传感器的原始模拟信号，将其转换为模拟电压信号。在一种实施例中，所述检测单元包括电压转换电路和电压调理电路。所述电压转换电路接收来自传感器的原始模拟信号，并将所述原始模拟信号转换为电压信号。所述原始模拟信号由传感器种类和工作原理决定，例如传感器敏感的变量可以是压力、速度、加速度、温度、磁、电等，传感器将上述变量转化为不同种类的原始模拟信号，所述原始模拟信号为任意种类的电信号，例如电流信号、频率信号、电容信号等。根据原始模拟信号的不同，所述电压转换电路实现不同的转换功能，即将不同种类的电信号均转化为电压信号。在一种实施例中，所述MEMS传感器元件由外界加速度导致内部质量块发生位移，所述位移进一步导致MEMS传感器元件的电容大小发生变化，电压转换电路即将所述电容大小的变化转化为模拟电压信号。所述电压调理电路接收来自电压转换电路输出的电压信号，并将所述电压信号进行处理，处理环节包括但不限于放大，滤波，调制，解调中的一个或多个，从而得到适应于模数转换单元的电压信号。在一种实施例中，为了使电压调理电路输出的电压信号更适于模数转换单元处理，所述电压调理电路按照信号处理顺序，依次包括调制器、放大器、解调器和滤波器。模数转换单元，用于接收检测单元输出的信号，将所述模拟电压信号转换为数字信号。所述模数转换单元通过模数转换器ADC实现，用于将模拟信号转换为数字信号，所述模数转换器可以是通用模数转换器或特定模数转化器，通用模数转换器包括逐次逼近型ADC、并行比较型ADC、流水线型ADC、Σ-ΔADC等；特定模数转换器包括瞬时浮点型ADC。优选的，所述模数转换器为逐次逼近型ADC，采用逐次逼近型ADC可以很好的折中精度，速度和功耗，进一步的，所述ADC精度为中低位ADC,一般不超过16-bit。环路滤波单元，接收模数转换单元和量化单元输出的信号，调节控制电路系统参数。所述环路滤波单元由数字积分器，数字乘法器，数字加法器构成。所述数字记分器包括第一数字积分器1/(1-z-1)和第二数字积分器z-1/(1-z-1)；所述数字乘法器包括第一数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS传感器控制器电路，其特征在于，所述电路结构包括：检测单元，用于接收来自MEMS传感器的原始模拟信号，将其转换为模拟电压信号；模数转换单元，用于接收检测单元输出的信号，将所述模拟电压信号转换为数字信号：环路滤波单元，用于接收模数转换单元和量化单元输出的信号，调节控制电路系统参数；量化单元，用于接收环路滤波单元输出的信号，并转换数字信号位宽；反馈单元，用于接收量化单元输出的信号，产生反馈信号，调节MEMS传感元件；机械零点调节单元，用于接收量化单元和模数转换单元输出的信号，调节系统参数。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS传感器控制器电路，其特征在于，所述电路结构包括：检测单元，用于接收来自MEMS传感器的原始模拟信号，将其转换为模拟电压信号；模数转换单元，用于接收检测单元输出的信号，将所述模拟电压信号转换为数字信号：环路滤波单元，用于接收模数转换单元和量化单元输出的信号，调节控制电路系统参数；量化单元，用于接收环路滤波单元输出的信号，并转换数字信号位宽；反馈单元，用于接收量化单元输出的信号，产生反馈信号，调节MEMS传感元件；机...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊兴崟，韩可都，李宗伟，俞度立，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11