一种MEMS谐振器特征提取电路及提取方法技术

本发明专利技术提供一种MEMS谐振器特征提取电路及提取方法包括：MEMS谐振器的驱动接口基于接入的驱动信号产生阻尼振荡信号；预处理模块将阻尼振荡信号进行转换并放大，输出第一信号；调节模块对接入的第一信号进行相位调节，并基于MEMS谐振器的特征参数调节环路增益生成驱动信号；信号处理模块降低第一信号的损耗，并对第一信号的波形和包络进行采样；主控模块通过处理第一信号的波形及包络信息以提取MEMS谐振器的特征参数。通过调节模块动态调整MEMS谐振器特征提取电路的相位差和净增益，消除晶圆在不同位置上MEMS谐振器因工艺偏差而引起的巨大阻抗和品质因数差异，减少了MEMS谐振器激发时间，获取特征参数的成功率与准确率得到大幅度提高，具有广泛的适用性。具有广泛的适用性。具有广泛的适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS谐振器特征提取电路及提取方法


[0001]本专利技术涉及集成电路设计与应用
，特别是涉及一种MEMS谐振器特征提取电路及提取方法。

技术介绍

[0002]时钟芯片是电子设备的心脏，在集成电路中有着广泛的应用。与传统的石英晶振相比，基于MEMS谐振器(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System，即微机电系统，微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品；MEMS传感器用于惯性传感方面主要有加速度传感器和陀螺仪传感器，及其相关变形产品，如：碰撞传感器、侧翻传感器)的时钟芯片因采用全硅工艺，可以使时钟芯片尺寸更小、功耗更低、抗震性能极高。MEMS谐振器的特征(谐振频率、品质因数及动态阻抗)提取方法主要有两种，第一种是基于矢量网络分析仪在特定频带内对MEMS传感器进行扫频，在获得频带内谐振峰的前提下，计算出谐振频率；通过损耗和为3dB带宽计算品质因数Q，由于MEMS谐振器的工艺偏差的影响，不同的芯片的谐振频率和品质因数Q往往具有较大的离散性，因此矢量网络分析仪需要进行粗扫和精扫才来获得较准确的谐振器特征值。多次扫描耗费的时间通常达到几秒钟，而一片晶圆上有几万颗芯片，累计的测试时间对于量产的时间和成本要求来说是不可接受的。
[0003]另一种特征提取方法是通过外接电路激发MEMS谐振器，使得谐振器产生振荡后再断开驱动信号，接着测量谐振器在阻尼作用下的振荡过程，获得振荡波形后通过计算机计算出谐振器的各项特性参数。该方法测试时间短，但是电路要求高，需要外接电路具有极低的噪声，非常大的电路增益范围以满足MEMS工艺偏差的要求。通常整片晶圆上不同的MEMS谐振器的品质因数Q和动态阻抗相差达到10倍以上，导致MEMS谐振器激发时间过长，失败几率高，且电路断开后阻尼振荡过程存在时间延迟等缺点，影响了该方法在实际生产过程中的应用。
[0004]应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的
技术介绍
部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种MEMS谐振器特征提取电路及方法，用于解决现有技术中提取MEMS谐振器的特征操作起来较为困难的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种MEMS谐振器特征提取电路，所述MEMS谐振器特征提取电路至少包括：调节模块、预处理模块、信号处理模块、主控模块、第一开关及第二开关，其中：
[0007]MEMS谐振器的驱动接口基于接入的驱动信号产生阻尼振荡信号；
[0008]所述预处理模块的输入端与MEMS谐振器的感应端口连接，将所述阻尼振荡信号进行转换并放大，输出第一信号；
[0009]所述第二开关的第一端与所述预处理模块的输出端连接，使所述第一信号向两个不同的方向传输；
[0010]所述调节模块的输入端与所述第二开关的第二端连接，对接入的所述第一信号进行相位调节，并基于MEMS谐振器的特征参数调节环路增益，进而生成所述驱动信号，其中，环路由MEMS谐振器、所述预处理模块及所述调节模块组成；
[0011]所述第一开关连接于MEMS谐振器的驱动接口与所述调节模块的输出端之间，用于控制所述驱动信号与MEMS谐振器的通路；
[0012]所述信号处理模块的输入端与所述第二开关的第三端连接，降低接入的所述第一信号的损耗，并对所述第一信号的波形和包络进行采样；
[0013]所述主控模块与所述信号处理模块的控制端、所述第一开关的控制端及所述第二开关的控制端连接，对所述第一开关与所述第二开关的导通与断开状态进行控制，通过处理所述第一信号的波形及包络信息以提取MEMS谐振器的特征参数。
[0014]可选地，所述调节模块包括移相器及动态增益调节电路，其中，所述移相器的输入端接入所述第一信号；所述动态增益调节电路的输入端与所述移相器的输出端连接。
[0015]可选地，所述移相器使环路满足巴克豪森振荡准则中的相位条件。
[0016]可选地，所述动态增益调节电路的环路净放大增益大于等于1。
[0017]可选地，所述预处理模块包括：跨阻放大器、小信号放大电路、第一电阻及第一电容，其中：所述跨阻放大器的反相输入端接入所述阻尼振荡信号，所述跨阻放大器的同相输入端与参考地连接；所述第一电阻连接于所述跨阻放大器的反相输入端与输出端之间；所述第一电容与所述第一电阻并联；所述小信号放大电路的输入端与所述跨阻放大器的输出端连接。
[0018]可选地，所述小信号放大电路包括电压放大器。
[0019]可选地，所述信号处理模块包括：低噪声射频放大器、缓冲器、高速模数转化器、包络检测器、低速模数转换器、过零检测器、计数器及锁相环电路，其中：所述低噪声射频放大器的输入端接入所述第一信号；所述缓冲器的输入端与所述低噪声射频放大器的输出端连接；所述高速模数转化器的输入端与所述缓冲器的输出端连接，所述高速模数转化器的控制端与所述主控模块连接；所述包络检测器的输入端与所述低噪声射频放大器的输出端连接；所述低速模数转换器的输入端与所述包络检测器的输出端连接，所述低速模数转换器的控制端及输出端均与所述主控模块连接；所述过零检测器的输入端与所述低噪声射频放大器的输出端连接；所述计数器的输入端与所述过零检测器的输出端连接，所述计数器的输出端与所述主控模块连接；所述锁相环电路的第一端与所述低噪声射频放大器的输出端连接，所述锁相环电路的第二端与所述主控模块连接。
[0020]可选地，所述信号处理模块还包括存储器，所述存储器的输入端与所述高速模数转化器的输出端连接，所述存储器的输出端与所述主控模块连接。
[0021]可选地，所述主控模块包括：计算机、微控制单元、现场可编程逻辑门阵列、数字信号处理器。
[0022]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种MEMS谐振器特征提取方法，基于所述MEMS谐振器特征提取电路实现，所述MEMS谐振器特征提取方法至少包括：
[0023]步骤1：所述主控模块控制所述第一开关导通、控制所述第二开关使所述预处理模块与所述调节模块连接，激发MEMS谐振器产生阻尼振荡；
[0024]步骤2：等待第一时间后，所述主控模块控制所述第一开关断开、控制所述第二开关使所述预处理模块与所述信号处理模块连接，所述主控模块判断是否需要采集所述第一信号的波形；
[0025]步骤3：当需要采集波形时，所述主控模块同步触发高速模数转换操作对波形进行采样，并将采样得到的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS谐振器特征提取电路，其特征在于，所述MEMS谐振器特征提取电路至少包括：调节模块、预处理模块、信号处理模块、主控模块、第一开关及第二开关，其中：MEMS谐振器的驱动接口基于接入的驱动信号产生阻尼振荡信号；所述预处理模块的输入端与MEMS谐振器的感应端口连接，将所述阻尼振荡信号进行转换并放大，输出第一信号；所述第二开关的第一端与所述预处理模块的输出端连接，使所述第一信号向两个不同的方向传输；所述调节模块的输入端与所述第二开关的第二端连接，对接入的所述第一信号进行相位调节，并基于MEMS谐振器的特征参数调节环路增益，进而生成所述驱动信号，其中，环路由MEMS谐振器、所述预处理模块及所述调节模块组成；所述第一开关连接于MEMS谐振器的驱动接口与所述调节模块的输出端之间，用于控制所述驱动信号与MEMS谐振器的通路；所述信号处理模块的输入端与所述第二开关的第三端连接，降低接入的所述第一信号的损耗，并对所述第一信号的波形和包络进行采样；所述主控模块与所述信号处理模块的控制端、所述第一开关的控制端及所述第二开关的控制端连接，对所述第一开关与所述第二开关的导通与断开状态进行控制，通过处理所述第一信号的波形及包络信息以提取MEMS谐振器的特征参数。2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器特征提取电路，其特征在于：所述调节模块包括移相器及动态增益调节电路，其中，所述移相器的输入端接入所述第一信号；所述动态增益调节电路的输入端与所述移相器的输出端连接。3.根据权利要求2所述的MEMS谐振器特征提取电路，其特征在于：所述移相器使环路满足巴克豪森振荡准则中的相位条件。4.根据权利要求2所述的MEMS谐振器特征提取电路，其特征在于：所述动态增益调节电路的环路净放大增益大于等于1。5.根据权利要求1所述的MEMS谐振器特征提取电路，其特征在于：所述预处理模块包括：跨阻放大器、小信号放大电路、第一电阻及第一电容，其中：所述跨阻放大器的反相输入端接入所述阻尼振荡信号，所述跨阻放大器的同相输入端与参考地连接；所述第一电阻连接于所述跨阻放大器的反相输入端与输出端之间；所述第一电容与所述第一电阻并联；所述小信号放大电路的输入端与所述跨阻放大器的输出端连接。6.根据权利要求1所述的MEMS谐振器特征提取电路，其特征在于：所述信号处理模块包括：低噪声射频放大器、缓冲器、高速模数转化器、包络检测器、低速模数转换器、过零检测器、计数器及锁相环电路，其中：所述低噪声射频放大器的输入端接入所述第一信号；所述缓冲器的输入端与所述低噪声射频放大器的输出端连接；所述高速模...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷永庆，朱雁青，康力，李明，
申请(专利权)人：麦斯塔微电子深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：