循环感测设备及其使用方法技术

在此披露了一种循环感测设备。该循环感测设备包括一个MEMS器件，其中，该MEMS器件包括第一和第二感测电极。该循环感测设备还包括一个耦联到该第一和第二感测电极上的多路复用器、耦联到该多路复用器上的至少一个感测放大器、一个耦联到该至少一个感测放大器上的解调器、以及一个耦联到该解调器上的集成和排空电路。最后，该循环感测设备包括耦联到一个解复用器上的一个模拟数字转换器（ADC），其中，该多路复用器、该至少一个感测放大器和该解调器在可复位的放大过程中提供一条连续时间感测路径，并且其中，该集成和排空电路和该ADC提供一条离散时间处理路径。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本申请根据要求于2013年3月13日提交的标题为“循环陀螺仪(R0UND-R0BINGYROSCOPE)”美国临时专利申请号61/780，371的35USC.119(e)下的权益，该申请通过引用以其全文结合于此。专利
本专利技术总体上涉及传感器，并且更具体地涉及多轴传感器的感测。背景多种应用中利用MEMS感测设备，如多轴陀螺仪。通常情况下，每个感测轴具有其自己的感测电路，意味着一个三轴传感器可能需要同一感测电路的三个拷贝。连续时间感测特别是这样。感测电路的重复引起更高的设备成本和尺寸，并且希望通过共享感测电路来减少成本和尺寸。本专利技术解决了这种需要。 概述在此披露了一种循环感测设备。该循环感测设备包括一个MEMS器件，其中，该MEMS器件包括第一和第二感测电极。该循环感测设备还包括一个耦联到该第一和第二感测电极上的多路复用器、耦联到该多路复用器上的至少一个感测放大器、一个耦联到该至少一个感测放大器上的解调器、以及一个耦联到该解调器上的集成和排空电路。最后，该循环感测设备包括耦联到一个解复用器上的一个模拟数字转换器(ADC)，其中，该多路复用器、该至少一个感测放大器和该解调器在可复位的放大过程中提供一条连续时间感测路径，并且其中，当在该第一和第二感测电极之间进行切换时，该集成和排空电路和该ADC提供一条离散时间处理路径。 附图简要说明图1a为循环多轴陀螺仪的一个第一实施例的框图。图1b为循环多种陀螺仪的一个第二实施例的框图。图2示出了该循环多轴陀螺仪的控制信号的时序图的实施例。图3为根据一个实施例的循环多轴陀螺仪的操作方法的流程图。图4示出了该循环陀螺仪感测路径的一部分的实施例，该路径包括一个MEMS器件、一个驱动系统、以及一个带有偏移消除电路的第一感测放大器。 详细说明本专利技术总体上涉及传感器，并且更具体地涉及感测设备。以下描述被展示为使得本领域的普通技术人员能够制作和使用本专利技术，并且提供在专利申请及其要求的背景中。对在此描述的优选实施例和通用原理及特征作出的各种修改对本领域的技术人员而言是明显的。因此，本专利技术并非旨在局限于所示实施例，而是要符合与在此描述的原理和特征相一致的最广泛范围。在所述实施例中，循环法是指其中在一定时期中对陀螺仪的每个轴进行感测的方法。循环多轴陀螺仪是指带有多轴感测和一条感测电路的陀螺仪，其中该感测电路对该陀螺仪的每个轴一次读出一个轴。通过将循环法应用到一种如三轴陀螺仪的感测设备上，会实质性地减少感测路径组件的数量。在这样做时,实质性地减少了总体芯片尺寸和成本。为了更加详细地描述本专利技术的特征，现在结合附图参照以下描述。图1a为循环多轴陀螺仪10a的一个第一实施例的框图，该陀螺仪包括一个用连续时间感测框架操作的感测设备和感测电路。尽管对陀螺仪进行了描述，但本领域的普通技术人员轻易地认识到循环感测设备可以是多种感测设备。循环多轴陀螺仪10a包括一个直流电源110、一个陀螺仪MEMS器件120、一个驱动系统105、一个多路复用器115、一个第一感测放大器130、一个第二感测放大器140、一个混合器150、一条集成和排空电路160、一个模拟数字转换器(ADC) 180以及一个解复用器190。陀螺仪MEMS器件120包括一个质量块125、一个用于一个第一轴121的MEMS感测电极、一个用于一个第二轴122的MEMS感测电极、一个MEMS驱动电极123、以及一个MEMS驱动感测电极124。该第一感测放大器130包括一个运算放大器132、一个复位开关133、一个反馈电容器134、以及一个用于正交消除的穿心电容器135。该第二感测放大器140包括一个输入电容器141、一个运算放大器142、一个复位开关143、以及一个反馈电容器144。该集成和排空电路160包括一个输入解复用器163、一个输出多路复用器164、两个集成器161和162,并且这两个集成器各自包括一个电阻器171/176、一个复位开关173/178、一个反馈电容器174/179、以及一个运算放大器172/177。通过直流电源110将MEMS质量块125偏置在一个高电压下。驱动系统105从MEMS驱动感测电极124接收输入并通过驱动电极123驱动陀螺仪MEMS器件120在驱动频率下振荡。来自驱动器105的驱动信号Vd通过穿心电容器135馈给第一感测放大器130以便消除正交。生成时钟信号LO并将其发送至混合器150以用于感测信号解调。循环多轴陀螺仪10a具有两个感测周期。在第一感测周期期间，多路复用器115被配置成用于从感测电极121拾取用于该第一轴的感测信号和正交信号；在第二感测周期期间，多路复用器115被配置成用于从感测电极122拾取用于该第二轴的感测信号和正交信号。这些感测信号为具有与驱动频率相等的载波频率的幅值调制信号。正交信号是具有在驱动频率下运行的基本上固定幅值的正弦信号。该正交信号的相位与这些感测信号的相位成正交关系。正交信号Vd通过穿心电容器135消除了大部分正交信号，并且剩余的那些信号被称为残余正交信号。正交信号的幅值从轴到轴可以不同，并且在每个感测期期间可以有区别地对穿心电容器135进行配置以便到达最大正交消除。该感测信号和残余正交信号通过第一和第二感测放大器130和140并且通过混合器150进行解调。时钟信号LO在驱动频率下运行并且与该感测信号基本上同相以使用于该感测信号的混合器150的增益最小化，并且鉴于其对该感测信号和LO的相位关系，基本上清除了残余正交。通过集成和排空电路160对混合器150的输出进行处理并且ADC180将将其转换成数字信号。然后该ADC输出OUTO通过解复用器190。将用于该第一轴的感测信号解复用到0UT1，并且将该第二轴解复用到0UT2。图2示出了该循环多轴陀螺仪的控制信号的时序图的实施例。用于每个轴的操作周期是该感测信号的一个周期。如绘图，忽略了正交信号。当将信号轴设置到O时，选择该第一轴并且通过多路复用器115将感测电极121连接到第一感测放大器130上；当将信号轴设置到I时，选择该第二轴并且通过多路复用器115将感测电极122连接到第一感测放大器130上。当信号rstl为I时，复位开关133能够对第一感测放大器130进行复位。当信号rst2为I时，复位开关143能够对第二感测放大器140进行复位。在第一感测放大器130退出复位之后，将第二感测放大器140保持在复位持续某段时间，并且通过此方式当第一感测放大器130退出复位时该第二感测放大器的输入电容器141吸收从该第一感测放大器米样的偏移和噪声并且不会将其传播到输出端。当将信号轴设置到O时，将解复用器163配置成用于将输入信号V3传递至第一集成器161。当将信号intg设置到O时，启用复位开关173，当将信号intg设置到I时，其失效，并且输入信号V3将集成到反馈电容器174上。信号LO基本上在用于该第一轴的感测信号的零交叉处从O到I转变，并且该转变还基本上对该集成周期的中期对准。通过这样做，第一集成器161对(a)接近直流的频率分量(该直流包括当该第二感测放大器退出复位时从第一和第二感测放大器130/140采样的偏移和噪声)、(b)接近该驱动频率的偶次谐波的频率分量、以及(c)残余正交信号进行平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种循环感测设备，包括：一个MEMS器件，其中，该MEMS器件包括第一和第二感测电极；一个耦联到该第一和第二感测电极上的多路复用器；耦联到该多路复用器上的至少一个感测放大器；一个耦联到该至少一个感测放大器上的解调器；一个耦联到该解调器上的集成和排空电路；以及耦联到一个解复用器上的一个模拟数字转换器（ADC）；其中，该多路复用器、该至少一个感测放大器和该解调器在可复位的放大过程中提供一条连续时间感测路径，并且其中，当在该第一和第二感测电极之间进行切换时，该集成和排空电路和该ADC提供一条离散时间处理路径。

【技术特征摘要】
2013.03.13 US 61/780,371;2013.08.02 US 13/958,4651.一种循环感测设备，包括: 一个MEMS器件，其中，该MEMS器件包括第一和第二感测电极； 一个耦联到该第一和第二感测电极上的多路复用器； 耦联到该多路复用器上的至少一个感测放大器； 一个耦联到该至少一个感测放大器上的解调器； 一个耦联到该解调器上的集成和排空电路；以及 耦联到一个解复用器上的一个模拟数字转换器(ADC);其中，该多路复用器、该至少一个感测放大器和该解调器在可复位的放大过程中提供一条连续时间感测路径，并且其中，当在该第一和第二感测电极之间进行切换时，该集成和排空电路和该ADC提供一条离散时间处理路径。2.如权利要求1所述的循环感测设备，其中，该循环感测设备包括一个多轴陀螺仪。3.如权利要求2所述的循环感测设备，进一步包括一个用于驱动该MEMS器件的驱动系统。4.如权利要求3所述的循环感测设备，进一步包括一个耦联到该驱动系统和该至少一个感测放大器上的穿 心电容器。5.如权利要求1所述的循环感测设备，其中，该第一感测电极在一个第一轴内进行感测，并且该第二电极在一个第二轴内进行感测。6.如权利要求1所述的循环感测设备，其中，该至少一个感测放大器包括第一和第二感测放大器。7.如权利要求6所述的循环感测设备，其中，该第一感测放大器包括一个耦联到该多路复用器上的第一运算放大器、一个第一复位开关和一个以反馈关系耦联到该第一运算放大器上的第一反馈电容器。8.如权利要求6所述的循环感测设备，其中，该第二感测放大器包括一个耦联到该第一感测放大器上的输入电容器、一个稱联到该输入电容器上的第二运算放大器、一个第二复位开关和一个以反馈关系与该第二运算放大器耦联的第二反馈电容器。9.如权利要求1所述的循环感测设备，其中，该集成和排空电路包括: 一个输入解复用器； 耦联到该输入解复用器上的一个第一和一个第二集成器；以及 一个稱联到该第一和第二集成器的一个输出端上的多路复用器。10.如权利要求9所述的循环感测设备，其中，该第一和第二集成器中的每个集成器包括: 一个耦联到该输入解复用器上的电阻器； 一个耦联到该电阻器上的运算放大器； 一个以反馈关系耦联到该运算放大器上的复位开关；以及 一个以反馈关系与该运算放大器耦联的电容器。11.如权利要求9所述的循环感测设备，其中，该输入解复用器包括一个电阻器，并且该第一和第二集成器中的每个集成器包括: 一个耦联到该输入解复用器上的运算放大器； 一个以反馈关系耦联到该运算放大器上的复位开关；以及一个以反馈关系与该运算放大器耦联的电容器。12.一种用于MEMS器件的感测方法，包括以下步骤: 将该MEMS器件偏置在一个固定电压下； 提供第一和第二信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：德里克·舒佛，汪柏廷，
申请(专利权)人：因文森斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US