用于mems傳感器的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】根據(jù)一個實施例，一種傳感器電路包括Σ?Δ型模數(shù)轉換器(ADC)、耦合至Σ?Δ型ADC的抖動時鐘以及耦合至Σ?Δ型ADC的電源電壓電路。Σ?Δ型ADC被配置為耦合至低頻換能器，并且抖動時鐘被配置為基于抖動時鐘信號控制Σ?Δ型ADC。
【專利說明】
用于MEMS傳感器的系統(tǒng)和方法[0001 ]本申請要求2015年4月20日提交的美國臨時申請第62/150,027號的權益，其全部 內(nèi)容以引用的方式引入本申請。[0002] 相關申請的交叉參考[0003]本申請還涉及以下共同未決且共同轉讓的美國專利申請，它們也要求2015年4月 20日提交的美國臨時申請第62/150,027號的權益:2016年3月18日提交的標題為“System and Method for a Capacitive Sensor” 的序列號 15/074,510(代理人卷號INF 2015 P50066 US)、2016年3月 18 日提交的標題為 “System and Method for a MEMS Sensor” 的序 列號15/074,649(代理人卷號INF 2015 P 50162US01)以及2016年3月23日提交的標題為“System and Method for a MEMS Sensor” 的序列號_(代理人卷號INF 2015 P 50088US)，其全部內(nèi)容以引用的方式引入本申請。
技術領域
[0004]本發(fā)明總體上涉及電子電路，在具體實施例中，涉及用于微機電系統(tǒng)(MEMS)接口電路的系統(tǒng)和方法?！颈尘凹夹g】
[0005]通常包括小型化的各種電部件和機械部件的微機電系統(tǒng)(MEMS)通過各種材料和制造方法來制造，并且用于各種應用。這些應用包括汽車電子、醫(yī)療設備和智能便攜式電子設備，諸如蜂窩電話、個人數(shù)字助理(PDA)、硬盤驅動器、計算機外圍設備和無線設備。在這些應用中，MEMS可用作傳感器、致動器、加速器、開關、微型反射鏡和許多其他設備。MEMS還用于環(huán)境壓力測量系統(tǒng)以測量絕對或差分環(huán)境壓力。
[0006]當設計將MEMS設備用作傳感器的系統(tǒng)時，可以考慮各種屬性，例如包括分辨率和溫度敏感度。還可以考慮由MEMS設備的機械諧振引起的任何環(huán)狀噪聲和能量損失。在一些系統(tǒng)中，這種機械諧振可以響應于激勵信號生成振蕩，并且這些振蕩可具有通過質量因子 (Q)來表征的能量損失。較大的Q表示能量損失相對于諧振器的存儲能量的較小速率，由此機械振蕩消失地更加緩慢。較小的Q表示能量損失相對于諧振器的存儲能量的較大速率，由此機械振蕩消失地更加快速。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)一個實施例，一種傳感器電路包括2-A型(sigma-delta)模數(shù)轉換器(ADC)、 耦合至5: - A型ADC的抖動時鐘(dithered clock)以及耦合至2 - A型ADC的電源電壓電路。 2 - A型ADC被配置為耦合至低頻換能器，并且抖動時鐘被配置為基于抖動時鐘控制2 - A 型 ADC。【附圖說明】
[0008]為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)勢，現(xiàn)在結合附圖進行以下描述，其中:
[0009]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的包括基于MEMS的傳感器的壓力測量設備的框圖； [〇〇1〇]圖2a至圖2c示出了橋式結構的MEMS電容器陣列布局和MEMS電容器的截面；
[0011]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的用于具有自鳴(ringing)噪聲的差分響應信號以及用于方波激勵信號的波形；
[0012]圖4示出了以橋式結構配置的MEMS電容器傳感器的輸入和輸出波形的實施例；
[0013]圖5示出了示例性斜率控制電路；[〇〇14]圖6示出了利用斜率控制電路的示例性數(shù)字壓力測量系統(tǒng)；
[0015]圖7示出了示例性方法的流程圖；
[0016]圖8是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的使用偽隨機采樣時鐘跳動(jitter)對差分響應信號進行采樣的ADC的框圖；
[0017]圖9是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的用于基于MEMS的傳感器的諧振頻率的值的范圍處的相對自鳴誤差的示圖；
[0018]圖10是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的生成具有偽隨機跳動的可變時鐘信號的電路的框圖；
[0019]圖11是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的測量方法的流程圖；
[0020]圖12a和圖12b示出了不同尺寸和位置的MEMS電容器陣列示意和布局；
[0021]圖13是示出驅動具有相同尺寸和諧振頻率的MEMS電容器傳感器的方波激勵信號的輸出波形的示圖；
[0022]圖14是示出驅動具有不同尺寸和諧振頻率的MEMS電容器傳感器的方波激勵信號的輸出波形的示圖；[〇〇23]圖15是示出來自具有不同尺寸和諧振頻率的MEMS電容器傳感器的輸出波形的頻譜的示圖；
[0024]圖16是示出來自具有相同尺寸和諧振頻率的MEMS電容器傳感器以及具有不同尺寸和泄露頻率的MEMS電容器傳感器的輸出波形的自鳴振幅的示圖；[〇〇25]圖17示出了示例性MEMS壓力傳感器系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；[0〇26]圖18示出了又一示例性MEMS壓力傳感器系統(tǒng)的示意性框圖；[〇〇27]圖19a和圖19b示出了在2-A型模數(shù)轉換器(ADC)中生成的示例性噪聲信號的波形圖；[〇〇28]圖20示出了在不具有抖動時鐘和具有抖動時鐘的情況下在2-A型模數(shù)轉換器 (ADC)中生成的噪聲信號的波形圖；[〇〇29]圖21a和圖21b示出了示例性2-A型模數(shù)轉換器(ADC)的示意性框圖；以及
[0030]圖22示出了用于傳感器的示例性操作方法的框圖。[〇〇31]不同附圖中的對應數(shù)字和符號通常表示對應的部分，除非另有指示。繪制附圖以清楚地示出優(yōu)選實施例的相關方面，并且不需要按比例繪制。為了更清楚地示出特定實施例，表示相同結構、材料或工藝步驟的變化的字母可以跟在圖號之后?！揪唧w實施方式】
[0032]以下詳細討論優(yōu)選實施例的制造和使用。然而，應該理解，本發(fā)明提供了許多可在各種具體環(huán)境下具體化的發(fā)明概念。所討論的具體實施例僅示出了制造和使用本發(fā)明的具體方式，而不用于限制本發(fā)明。
[0033]在具體條件(用于執(zhí)行使用基于MEMS的傳感器的電容壓力測量系統(tǒng)的測量的系統(tǒng)和方法)下，參照優(yōu)選實施例描述本發(fā)明。其他實施例可應用于其他傳感器系統(tǒng)，諸如壓阻式傳感器系統(tǒng)。本文所述各個實施例中的一些包括電容MEMS壓力傳感器、接口電路、用于 MEMS壓力傳感器接口電路的2 - A型模數(shù)轉換器(ADC )、接口電路中的噪聲以及用于2 - A 型ADC和接口電路的抖動時鐘。在其他實施例中，各個方面還可以應用于涉及根據(jù)本領域已知的任何方式的任何類型的換能器系統(tǒng)的其他應用。[〇〇34]電容MEMS壓力換能器使用兩個區(qū)域之間的壓力差以調整可變電容結構并生成與壓力差成比例的輸出信號。在一個具體應用中，差分輸出電容MEMS壓力換能器使用兩個可變電容結構來生成根據(jù)所測量的壓力而變化的差分輸出。在各個實施例中，從壓力換能器輸出的信號是模擬信號。模擬信號可以被放大并轉換為數(shù)字信號。[〇〇35]在本發(fā)明的實施例中，通過在MEMS壓力傳感器的第一端口處引入周期性激勵信號并在MEMS壓力傳感器的第二端口處監(jiān)控MEMS壓力傳感器的輸出來操作電容MEMS壓力傳感器。然后，通過確定MEMS傳感器的第二端口處的信號的振幅來進行壓力測量。這種系統(tǒng)中面對的一個問題是，由于基于MEMS的傳感器內(nèi)的機械諧振引起的基于MEMS的傳感器的欠阻尼響應，這在一些環(huán)境中會由于輸出信號的自鳴特性而導致測量誤差。在本文公開的各個實施例中，公開了測量這種欠阻尼系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。[〇〇36]在第一實施例中，為了減少由MEMS壓力傳感器對激勵信號的欠阻尼響應而引起的誤差，減小激勵信號的斜率以衰減可刺激MEMS壓力傳感器的欠阻尼響應的諧波。在一些實施例中，激勵信號被限定或生成為使得減少或消除了尖銳邊緣的情況，在具體實施例中，通過根據(jù)方波輸入信號生成雙斜率集成三角波形并再次對該信號積分來生成在第一信號電平和第二信號電平之間具有平滑過渡的周期性波形來實現(xiàn)斜率降低。在一些實施例中，第一方波信號的斜率通過延遲鎖定環(huán)來控制，從而將斜率減小的激勵脈沖的邊緣與即將到來的時鐘信號同步。[〇〇37]在第二實施例中，使用抖動采樣時鐘來測量基于MEMS的傳感器的輸出。通過相對于MEMS的欠阻尼響應抖動采樣時間，可以進行一系列測量，其中MEMS響應的欠阻尼分量得到平均。更具體地，以對應于切換頻率的規(guī)則間隔來改變可變時鐘信號的周期。在每個這樣的規(guī)則間隔之后的切換時間處，相對于最小周期將可變時鐘信號的周期增加偽隨機確定的周期調整量。等效地，將可變時鐘信號的頻率降低與該周期調整量相對應的頻移?？勺儠r鐘信號的切換頻率被設計為接近基于MEMS的傳感器的機械諧振頻率。通過劃分可變時鐘信號的頻率來得到采樣時鐘信號。為了擴展基于MEMS的傳感器輸出的諧振自鳴噪聲，根據(jù)采樣時鐘信號以偽隨機可變間隔來數(shù)字地采樣該輸出。然后，多個數(shù)字采樣被濾波并組合以抑制寬帶自鳴噪聲。[〇〇38]在第三實施例中，使用具有可變尺寸的陣列或MEMS壓力傳感器來實施MEMS壓力傳感器，使得每個MEMS壓力傳感器都在不同的頻率下諧振。因此，當MEMS壓力傳感器通過激勵信號來刺激時，由于相互異相的各種諧振響應而在各個時刻減小自鳴的振幅。通過在各個 MEMS壓力的相干相消減小脈沖響應的振幅時對MEMS傳感器的輸出進行采樣，可以進行更多精確的測量。
[0039]在第四實施例中，過采樣模數(shù)轉換器(ADC)用于監(jiān)控MEMS傳感器的輸出。為了在過采樣ADC中減輕空閑音調(idle tone)，抖動時鐘可用于操作過采樣ADC。在一些實施例中， 可根據(jù)本文公開的第二實施例生成抖動時鐘信號。
[0040]圖1示出了包括傳感器103的示例性壓力測量設備100。傳感器103耦合至激勵信號發(fā)生器102的輸出。激勵信號發(fā)生器102生成提供給傳感器103的交替激勵信號，其生成由兩個激勵響應信號組成的模擬測量信號。通過傳感器103的諧振(例如可以是機械諧振)的振蕩來生成這些激勵響應信號中的每一個。在一個實施例中，傳感器103具有欠阻尼響應。
[0041]再次參照圖1，傳感器103包括具有兩個橋段105的電容橋。每個橋段105分別包括與參考電容器109串聯(lián)的壓敏電容器111，并且在壓敏電容器111和參考電容器109之間的中心抽頭處輸出傳感器103的一個響應信號。參考電容器109具有Cr的電容，其與壓敏電容器 111的電容Cs相比隨壓力相對穩(wěn)定。在一個實施例中，分別使用包括在傳感器103中的一個或多個高Q MEMS元件來實施壓敏電容器111，并且這些MEMS元件具有諧振頻率fr的機械諧振。在一些實施例中，使用Cr相對于Cs的隨溫度引發(fā)的變化以已知關系隨溫度變化而選擇的電容器來實施參考電容器109。
[0042]耦合至傳感器103的輸出的讀出放大器104放大這些傳感器響應信號。然后，耦合至讀出放大器104的輸出的模數(shù)轉換器(ADC)106對放大的傳感器響應信號之間的差進行采樣以提供數(shù)字采樣。耦合至ADC 106的濾波器108在時間間隔上組合這些數(shù)字采樣中的若干個以生成單個壓力測量采樣。在一些實施例中，濾波器108是對數(shù)字采樣進行平均的低通濾波器。在其他實施例中，濾波器108使用更加復雜的算法來組合數(shù)字采樣，其例如可以包括選擇具有中值的采樣、在平均之前丟棄異常采樣等。
[0043]在一些實施例中，在單個集成電路(1C)中包括壓力測量設備100的激勵信號發(fā)生器102、傳感器103、讀出放大器104、ADC 106和濾波器108中的每一個，并且該1C具有小于10 立方毫米的體積。在其他實施例中，可以在壓力測量設備100中包括多個1C。[〇〇44]圖2a_圖2c示出了可用于實施圖1所示傳感器103的MEMS傳感器的示例性實施方式。如圖所示，在圖2a中，以包括固定電容器Cr和可變電容器Cs的橋式結構來布置MEMS傳感器。在一個實施例中，可變電容器Cs均使用MEMS傳感器的陣列來實施，而固定電容器使用固定電容器的陣列來實施，其被設計為跟蹤MEMS傳感器的陣列的額定電容。[〇〇45] 圖2b示出了MEMS電容器傳感器陣列200的示例性布局210。如圖所示，該布局包括用于實施電容Cs的固定電容單元212和218以及對壓力敏感的MEMS傳感器單元214和216。如圖所示，該布局210結構可以被布置為避免橋中的所有四個電容器之間的梯度失配。在一個實施例中，MEMS傳感器單元214可以使用本領域已知的MEMS傳感器結構來實施，而固定電容單元可以使用運動失效的MEMS傳感器單元來實施。通過針對MEMS傳感器單元214和216以及固定電容單元212和218使用類似的物理結構，可以隨著工藝和溫度變化實現(xiàn)MEMS傳感器單元214和216與固定電容單元212和218之間的良好匹配。在一些實施例中，例如通過在半導體部件的處理期間不打開壓力端口或者通過在MEMS結構內(nèi)添加機械運動阻擋來防止固定電容單元212和218的運動。
[0046] 圖2c示出了在示例性匪0S和PM0S晶體管旁邊的MEMS傳感器單元220的截面。如圖所示，MEMS傳感器單元形成有用作頂電極222和固定的對電極224的多晶硅隔膜以形成傳感器單元。在頂電極和固定的對電極之間具有真空腔226。頂電極222不被覆蓋以允許任何壓力應用并且引起電容器值的變化。應該理解，截面220僅僅是可在本發(fā)明的實施例中使用的適當MEMS單元的許多實例中的一種。
[0047]圖3示出了用于示例性方波激勵信號302和差分響應信號304的波形。方波激勵信號是可由圖1的激勵信號發(fā)生器102產(chǎn)生的交替激勵信號的一個實施例。在其他實施例中， 可以使用任何交替激勵信號，例如包括正弦信號、三角信號或復合信號等。[〇〇48] 再次參照圖3，差分響應信號304表示圖1的傳感器103的輸出處的響應信號之間的差。由于組成壓敏電容器111的一個或多個MEMS元件是高Q的，所以這些MEMS元件的機械諧振是欠阻尼的，并且機械振蕩緩慢消失。在各個采樣時間tl、t2和t3處，相對于由理想電容器形成的傳感器的理想響應信號306，在差分響應信號304中引入自鳴噪聲。
[0049]第一實施例
[0050]在第一實施例中，減小激勵302的斜率以避免過度地刺激MEMS傳感器103的諧振條件。圖4示出了方波激勵信號402與用于在輸入端口 Vex處刺激MEMS傳感器的波形激勵信號 404之間的比較。如圖所示，輸出波形406表示由于在上升沿和下降沿處包含陡峭傾斜的方波輸入402而引起的高振幅自鳴，因為通過具有陡峭的上升和下降沿的方波激勵信號402刺激的諧振引起諧振。另一方面，輸出波形408表示來自波形激勵信號404的響應并且由于輸入的上升和下降部分處的平滑邊緣以及到平坦區(qū)域的過渡區(qū)域而顯示出非常小的自鳴。激勵信號404的上升和下降部分處的平滑邊緣減小了由于MEMS傳感器和電容器的高Q因子引起的諧振效應，并提供了更加平滑的輸出波形408。
[0051]在一個實施例中，通過使用級聯(lián)積分器來控制激勵信號的上升和下降行為同時保持邊緣過渡之間的穩(wěn)定輸出電壓，在時域中控制激勵信號的斜率。因此，第一積分產(chǎn)生了三角邊緣，而第二積分產(chǎn)生了具有第二階或拋物線狀的邊緣。第二積分的輸出用于驅動以橋式結構布置的MEMS傳感器103。這種實施例成形降低所生成諧波的振幅并減小在MEMS傳感器103的輸出處看到的自鳴。應該理解，級聯(lián)積分器方法僅僅是可用于控制激勵信號的斜率的許多可能示例性系統(tǒng)和方法中的一個實例。在一些實施例中，激勵信號具有信號值穩(wěn)定的時間周期，例如其具有固定的參考電壓。時間周期穩(wěn)定的時間周期還可以稱為“平坦區(qū) ±或”。在該時間周期內(nèi)，傳感器輸出信號和讀出放大器輸出信號也是穩(wěn)定的并且例如可以通過圖1所示的ADC 106來采樣。[〇〇52]圖5示出了示例性激勵脈沖生成系統(tǒng)500,其包括計時控制電路502、充電栗504、第一積分電容器C1、第二積分器和波成形電路508、用于控制第二積分器輸出親合至C1ad的開關510、比較器512、相位檢測器514和驅動回路濾波器電容器C2的第二充電栗516。計時控制電路502接受來自脈沖發(fā)生器501的輸入方波信號或時鐘，并生成用于驅動充電栗504的兩個開關控制信號。這兩個開關控制信號選擇性的啟動將充電或放電電流源連接至積分電容器C1的開關。在積分電容器C1兩端積分方波時鐘信號，并生成2 - A型波形。該5: - A型波形被緩沖放大器506所緩沖。緩沖三角波形被進一步積分以生成在MEMS電容器的諧振頻率處包含非常低的能量內(nèi)容的波形。第二積分平滑方波中存在的尖銳邊緣以及三角波形的邊緣。應該理解，具有尖銳邊緣的方波包含可以刺激MEMS傳感器103內(nèi)的諧振響應的大量高頻分量?？刂品e分波形的端點，以確保斜率控制輸出信號的邊緣與輸入時鐘信號同步。開口 510被配置為將負載電容CLoad耦合至積分器和波成形電路508的輸出或者耦合至該電路塊的電源電壓VDD(通常是溫度穩(wěn)定和低噪聲參考電壓)。在一些實施例中，在第二積分器和波成形器508不滿足電源電壓的情況下，開關510用于將負載電容a-耦合至電源電壓VDD。
[0053]如圖5所示，斜率控制激勵信號通過比較器512以形成可用于調整輸入時鐘和激勵信號之間的相位差的信號。比較器512的輸出處的相位經(jīng)由相位檢測器514與輸入時鐘信號的相位進行比較，生成啟動充電栗電路516中的兩個開關的兩個控制信號。開關將充電或放電電流源連接至回路濾波器電容器C2。電容器C2處的電壓是激勵信號和輸入時鐘信號之間的相位差的指示。回路濾波器電容器C2將瞬時的相位差轉換為模擬電壓。該電壓用于控制充電和放電電流的振幅，同時生成S - A型波形。在一個實施例中，激勵脈沖生成系統(tǒng)500可以在單個集成電路(1C)中實施。[〇〇54]圖6示出了示例性數(shù)字壓力測量系統(tǒng)600,其包括示例性激勵信號發(fā)生器602、電容壓力傳感器604(包括讀出放大器104)、溫度傳感器606、多路復用器608、模數(shù)轉換器(ADC) 610、數(shù)字信號處理612、數(shù)字核614、數(shù)字接口 616、電壓調節(jié)器618、存儲接口 620、單元存儲校準系數(shù)622和FIFO(先入先出)624。激勵信號發(fā)生器602根據(jù)上述實施例向電容壓力傳感器604提供斜率控制激勵信號。多路復用器608選擇來自溫度傳感器606或電容器傳感器604 的測量值，并發(fā)送至ADC電路610用于測量值的數(shù)字轉換。然后，ADC輸出經(jīng)過數(shù)字信號處理單元612,用于進一步的濾波和數(shù)學計算。數(shù)字核614和數(shù)字接口 616是將溫度和壓力測量值轉換為24位數(shù)字字的內(nèi)部處理器的部分。校準系數(shù)622存儲用于每個獨立壓力傳感器的校準值，來用于測量校正。FIFO 624在低功率模式期間存儲多個溫度和壓力測量值。存儲接口 620將這些值提供給數(shù)字核614。實施例還包括用于向內(nèi)部電路提供電能的內(nèi)電壓調節(jié)器。
[0055]在一個實施例中，數(shù)字壓力測量系統(tǒng)600可以使用單個集成電路和/或集成電路和/或分立部件的組合來實施。應該理解，系統(tǒng)600僅僅是可以實施示例性激勵信號發(fā)生器的許多實例系統(tǒng)中的一種。[〇〇56]圖7示出了控制MEMS電容器的斜率的示例性方法700的流程圖。在步驟702中，對第一輸入信號執(zhí)行第一積分。在一個實施例中，第一輸入信號是方波信號。接下來，在步驟704 中，對第一積分輸出信號執(zhí)行第二積分。在一個實施例中，第一積分輸出是三角波形，并且執(zhí)行第二積分用于波成形。在一些實施例中，當輸出信號達到參考電壓(Vdd)或者過去的特定時間量時，輸出保持恒定(最終輸出被切換為Vdd)直到觸發(fā)下降沿過程。接下來，在步驟 706中，第二積分的輸出用于驅動MEMS電容器橋，其中橋具有兩個部分且每個部分都由一個壓敏電容器和一個參考電容器組成。接下來，在步驟708中，輸入信號的相位和第二積分的輸出被同步。在一個實施例中，相位檢測器用于同步相位。接下來，在步驟710中，連接至壓敏電容器和參考電容器的公共點的讀出放大器用于測量瞬時電容器變化。最后，在步驟712 中，對讀出放大器的輸出執(zhí)行A/D轉換以計算壓力。
[0057]根據(jù)各個實施例，電路或系統(tǒng)可以被配置為通過具有安裝在系統(tǒng)上的硬件、軟件、 固件或它們的組合(它們在操作中使系統(tǒng)執(zhí)行動作)來執(zhí)行特定的操作或動作。一個一般的方面包括利用電容傳感器執(zhí)行測量的方法，該方法包括:生成周期性激勵信號，周期性激勵信號包括一系列脈沖;平滑一系列脈沖的邊緣過渡以形成成形的周期性激勵信號;將成形的周期性激勵信號提供給電容傳感器的第一端口；以及測量通過電容傳感器的第二端口提供的信號。該方面的其他實施例包括對應的電路和系統(tǒng)，被配置為執(zhí)行方法的各個動作。 [〇〇58]實施方式可以包括以下特征中的一個或多個。該方法進一步包括:基于測量信號確定輸出測量值。在該方法中，確定的輸出測量值包括壓力測量值。在該方法中，平滑邊緣過渡包括基于生成的周期性激勵信號生成第一斜率信號，以形成斜率激勵信號。在該方法中，平滑邊緣過渡還包括:對斜率信號進行積分以形成成形的周期性激勵信號。該方法還包括:基于成形的周期性激勵信號和周期性激勵信號之間的計時差來調整第一斜率信號的斜率。在該方法中，生成第一斜率信號包括:利用第一電流源對電容器進行充電，以及利用第二電流源對電容器放電。該方法還包括:基于成形的周期性激勵信號和周期性激勵信號之間的計時差，調整第一斜率信號的斜率，其中調整斜率包括調整第一電流源和第二電流源的電流。該方法還包括:確定成形的周期性激勵信號和周期性激勵信號之間的計時差。在該方法中，確定計時差包括使用相位檢測器。在該方法中，電容傳感器包括MEMS傳感器。在該方法中，MEMS傳感器包括傳感器橋，其具有:第一分支，具有第一 MEMS壓力傳感器和第一電容器；以及第二分支，具有第二MEMS壓力傳感器和第二電容器。所述技術的實施可以包括硬件、方法或工藝或者計算機可訪問介質上的計算機軟件。
[0059]又一個一般的方面包括一種系統(tǒng)，包括:激勵發(fā)生器，被配置為耦合至電容傳感器的第一端口，激勵發(fā)生器包括脈沖發(fā)生器以及耦合至脈沖發(fā)生器的輸出的脈沖平滑電路， 其中脈沖平滑電路的輸出被配置為耦合至電容傳感器的第一端口。該方面的其他實施例包括對應的電路和系統(tǒng)，被配置為執(zhí)行方法的各種動作。
[0060]實施方式可以包括以下特征中的一個或多個。系統(tǒng)還包括被配置為耦合至電容傳感器的第二端口的讀出電路。在該系統(tǒng)中，讀出電路包括被配置為耦合至電容傳感器的第二端口的A/D轉換器。在該系統(tǒng)中，讀出電路被配置為基于來自電容傳感器的第二端口的信號確定電容傳感器的響應。該系統(tǒng)還包括電容傳感器。在該系統(tǒng)中，電容傳感器包括MEMS傳感器。在該系統(tǒng)中，MEMS傳感器包括傳感器橋，其具有:第一分支，具有第一 MEMS壓力傳感器和第一電容器；以及第二分支，具有第二MEMS壓力傳感器和第二電容器。在該系統(tǒng)中，脈沖平滑電路包括斜坡發(fā)生器，其具有耦合至脈沖發(fā)生器的輸出的輸入。在該系統(tǒng)中，斜坡發(fā)生器包括耦合至第一電容器的第一電流源和第二電流源。在該系統(tǒng)中，脈沖平滑電路還包括耦合至斜坡發(fā)生器的輸出的積分器，其中積分器的輸出耦合至脈沖平滑電路的輸出。該系統(tǒng)還包括相位檢測器，其具有耦合至脈沖發(fā)生器的輸出的第一輸入以及耦合至積分器的輸出的第二輸入，其中相位檢測器的輸出被配置為控制斜坡發(fā)生器的輸出處的信號的斜率。 該系統(tǒng)還包括耦合至相位檢測器的輸出的電荷栗以及耦合至電荷栗的輸出的電容器。在該系統(tǒng)中，斜坡發(fā)生器的輸出處的信號的斜率基于第二電容器兩端的電壓。在該系統(tǒng)中，激勵發(fā)生器被設置在集成電路上。在該系統(tǒng)中，電容傳感器被進一步設置在集成電路上。在該系統(tǒng)中，脈沖平滑電路包括:第一積分器，耦合至脈沖發(fā)生器的輸出；以及第二積分器，耦合至第一積分器的輸出，其中第二積分器的輸出親合至脈沖平滑電路的輸出。該系統(tǒng)還包括相位檢測器，其具有耦合至脈沖發(fā)生器的輸出的第一輸入和耦合至積分器的輸出的第二輸入，其中相位檢測器的輸出被配置為控制第一積分器的斜率。在該系統(tǒng)中，第一積分器包括耦合至積分電容器的多個電流源，并且控制第一積分器的斜率包括基于相位檢測器的輸出調整多個電流源的電流。所述技術的實施可以包括硬件、方法或工藝或者計算機可訪問介質上的計算機軟件。
[0061]第一實施例的一些實施方式的優(yōu)勢包括:當經(jīng)由激勵信號使能電容MEMS時降低自鳴效應的能力。自鳴的量是激勵信號波形和MEMS電容器諧振頻率的函數(shù)。[〇〇62] 第二實施例[〇〇63]在第二實施例中，ADC 106通過偽隨機跳動來改變其內(nèi)采樣時鐘信號，從而緩解自鳴噪聲的效應。通過改變采樣時鐘的上升和/或下降沿的計時來提供該偽隨機跳動，其中 ADC 106從采樣時鐘得到其計時參考。因此，傳感器103的輸出的系統(tǒng)自鳴誤差由此被轉換為寬帶信號，濾波器108可以例如通過將許多數(shù)字采樣求平均以形成每個組合測量采樣來進行抑制。[〇〇64]圖8示出了可用作圖1的ADC 106的示例性ADC 800,以生成具有偽隨機跳動的時鐘信號。ADC 800包括可變時鐘發(fā)生器804、分頻器806和采樣單元808。[〇〇65]可變時鐘發(fā)生器804生成具有偽隨機跳動的可變時鐘信號?？勺儠r鐘發(fā)生器804包通過切換可變時鐘信號的周期Tper的長度來在可變時鐘信號中包括該偽隨機跳動。Tper等于最小周期Tper_min加上在Tper的每個時鐘循環(huán)切換的周期調整A Tper。采樣單元808接收通過時鐘分頻器806的較低時鐘頻率。例如，在圖8的實施例中，時鐘頻率低整數(shù)N倍，使得有效采樣時鐘具有持續(xù)時間Tsw的時鐘跳動，其中該持續(xù)時間Tsw等于N倍的A Tper。在一個實施例中，選擇Tsw，使其隨機地采樣在至少一個周期l/fres上擴展的時間點處具有諧振行為的MEMS 信號，其中fres是MEMS傳感器的諧振頻率，且諧振周期Tres是fres的倒數(shù)。作為實例，對于fres =5MHz，Tres = 200ns且N = 8的情況，使A Tper小于200ns (優(yōu)選小于200ns/4)，其仍然足夠高來使Tsw大于200ns。在可選實施例中，時鐘分頻器806可以具有另一分配比和/或MEMS傳感器可具有不同的諧振頻率。[〇〇66]可變時鐘發(fā)生器804在反饋回路中被時鐘控制器820所控制以穩(wěn)定可變時鐘信號的平均周期Tper_avg。通過參考振蕩器803向時鐘控制器802提供參考振蕩器信號，參考振動器803可以是振蕩晶體或任何其他形式的穩(wěn)定電子振蕩器。在一個實施例中，時鐘控制器 802可以包括鎖相環(huán)。在一個實施例中，時鐘控制器802可以為可變時鐘發(fā)生器804提供周期不同于周期Tper_min的時鐘信號，然后通過可變時鐘發(fā)生器804對頻率進行標度(scale)?？勺儠r鐘發(fā)生器804向時鐘控制器802提供時鐘反饋信號。[〇〇67]分頻器806耦合至可變時鐘發(fā)生器804的輸出，并生成采樣周期Tsam(其是周期Tper 的N倍)的采樣時鐘信號。因此，采樣時鐘信號還包括偽隨機跳動。[〇〇68]采樣單元808的輸入耦合至分頻器806的輸出以接收采樣時鐘信號。采樣單元808 還具有接收從圖1的讀出放大器104輸出的兩個放大的傳感器響應信號的輸入。采樣單元 808通過采樣這些傳感器響應信號之間的差來生成采樣，并且每[咖秒執(zhí)行這種采樣。在ADC 的一個或多個后續(xù)級(未示出)中量化這些采樣。在一個實施例中，ADC是2-A型轉換器，并且量化級還包括對采樣單元的輸出進行濾波的附加回路濾波器。
[0069]圖9示出了繪制圖1的濾波器108的輸出處的相對自鳴誤差的示圖。采樣時鐘的最大周期偏移是150納秒，16,384個數(shù)字采樣被平均以形成每個測量采樣，并且切換頻率fsw是 5120kHz。相對于由理想電容器形成的傳感器的無諧振響應信號來計算脈沖噪聲。當諧振頻率等于切換頻率時，該相對自鳴誤差最小化，并且在任一方向上隨著諧振頻率遠離切換頻率變化而增加。
[0070]圖10示出了示例性可變時鐘發(fā)生器804的框圖?？勺儠r鐘發(fā)生器804包括計數(shù)器 1002、解復用器1004、LFSR 1006和振蕩器1008。[〇〇71]計數(shù)器1002具有接收來自時鐘控制器802的時鐘控制信號的計數(shù)器重置輸入。在圖10的示例性實施例中，該時鐘控制信號的頻率為160kHz。計數(shù)器1002還具有耦合至振蕩器1008的輸出的計數(shù)器時鐘輸入以接收可變時鐘信號。在圖10的實施例中，計數(shù)器1002是3位計數(shù)器，其生成表示與從振蕩器1008接收的可變時鐘信號同步的從0增加到7的計數(shù)值的計數(shù)器信號，并且通過計數(shù)器重置輸入的上升沿將計數(shù)值重置為0。計數(shù)器信號的最高有效位被設為時鐘控制器802的反饋控制信號。該反饋控制信號是可變時鐘信號的頻率的八分之一。[〇〇72]解復用器1004還具有耦合至計數(shù)器1002的輸出的輸入以接收計數(shù)器信號。解復用器1004基于計數(shù)值接通或斷開二進制LFSR使能信號。解復用器1004還基于計數(shù)器信號的值接通或斷開AND門1010的第一二進制輸入。
[0073]在圖10的實施例中，當計數(shù)值為0或1時，解復用器接通LFSR使能信號，否則解復用器1004斷開LFSR使能信號。當計數(shù)值為3或4時，解復用器接通AND門1010的第一輸入，否則解復用器1004斷開AND門1010。由于計數(shù)值可以采用八個可能值中的任何一個，所以LFSR使能信號僅在振蕩器1008的可變時鐘周期的前四分之一期間接通，并且AND門1010的第一輸入僅在振蕩器時鐘周期的下一個四分之一期間接通。[〇〇74] LFSR 1006包括接收來自解復用器1004的LFSR使能信號的使能輸入。LFSR 1006還具有接收來自時鐘控制器802的時鐘控制信號作為LFSR重置信號的重置輸入。LFSR 1006還包括接收從振蕩器1008輸出的可變時鐘信號的時鐘輸入?；贚FSR使能信號和LFSR重置信號，LFSR 1006生成與可變時鐘信號同步的偽隨機序列。在一些實施例中，LFSR 1006是斐波納契LFSR。在其他實施例中，LFSR1006是伽羅瓦LFSR。在又一些實施例中，可以使用本領域已知的任何偽隨機序列發(fā)生器(包括非線性反饋移位寄存器)來代替LFSR1006。
[0075] 在圖10的實施例中，LFSR 1006是17位LFSR，其輸出表示LFSR1006的二位二進制狀態(tài)的LFSR狀態(tài)信號。LFSR 1006將該LFSR狀態(tài)信號一位一位地提供給AND門1010的第二二進制輸入。基于該LFSR狀態(tài)信號以及AND門1010的第一輸入處的信號，AND門1010生成也是二位二進制序列的序列選擇信號。[〇〇76]時鐘發(fā)生器804還包括接收來自AND門1010的該頻率選擇信號的D觸發(fā)器1012,并且還接收從振蕩器1008輸出的可變時鐘信號。D觸發(fā)器1010還具有耦合至振蕩器1008的輸入的輸出，并且D觸發(fā)器1012與可變時鐘信號同步地一位一位地向振蕩器1008提供頻率選擇信號。[〇〇77] 振蕩器1008生成可變時鐘信號，其中振蕩器1008基于由D觸發(fā)器1012提供的頻率選擇信號而變化。振蕩器1008具有振蕩頻率f〇s。，其最大值是Tper_min(圖8所示)的倒數(shù)。基于在可變時鐘信號的每兩個周期(即，每兩次振蕩)由振蕩器接收的頻率選擇信號的二位二進制值，振蕩器1008將其振蕩頻率f。％保持為其先前值或者將其振蕩頻率減小一頻移。將振蕩器1008的頻率減小該頻移對應于向Tper_min添加周期調整A Tper以得到可變時鐘信號的周期 Tper〇[〇〇78]在圖10的實施例中，振蕩器1008在每次切換時刻將其頻移改變作為50納秒的倒數(shù)的量，并且任何時刻的總頻移都是0、50、100或150納秒的ATper的倒數(shù)。振蕩器的最大頻率 f〇sc等于1280kHz，其對應于781.25納秒的可變時鐘信號的最小周期。[〇〇79]在一個實例中，可變時鐘發(fā)生器804的頻率是采樣時鐘的頻率的八倍(S卩，N = 8)， 由此在采樣時鐘的每個周期T_期間頻移被確定為四倍。在這種情況下，振蕩器1008可以在采樣時鐘信號的每個周期Tsam期間在四個切換時刻的每一個處將其頻移從先前值進行改變。在該實例中，采樣時鐘周期1_的最小值是781.25納秒的可變時鐘信號的最小周期的八倍，其是6250納秒。在該實例中，!~_的最小持續(xù)時間對應于160kHz的最大采樣時鐘頻率。當應用與150納秒的最大A Tper相對應的頻移時，振蕩器具有931.25納秒的最大周期Tper。由于 Tsam的最大值是該最大Tper的八倍或7450納秒，所以在該實例中，其對應于134,2kHz的最大采樣時鐘頻率。在長時間間隔上應用的A Tper的期望平均將為75納秒。通過平均0、50、100和 150納秒來確定該期望平均，其是A Tper的偽隨機選擇值。因此，Tper的期望平均是856.25納秒，在該實例中，其對應于6850納秒的平均采樣時鐘周期!~_和146.0kHz的平均采樣頻率。
[0080]圖11是示出示例性測量方法的流程圖。該方法開始于步驟1102。在步驟1104中，傳感器103響應于激勵信號生成響應信號。在步驟1106中，與可變時鐘信號同步地遞增計數(shù)器信號。在步驟1108中，根據(jù)計數(shù)器信號的計數(shù)值確定LFSR使能信號。在步驟1110中，根據(jù) LFSR使能信號和時鐘控制信號，與可變時鐘信號同步地確定m位LFSR狀態(tài)信號。在步驟1112 中，根據(jù)LFSR狀態(tài)信號和計數(shù)器信號的計數(shù)值來確定頻率選擇信號。
[0081]在步驟1114中，基于是否通過頻率選擇信號選擇不同于先前頻移的新頻移來進行流程判定。如果已經(jīng)選擇了新頻移，則流程在步驟1118中繼續(xù)，其中根據(jù)所選的頻移來切換可變時鐘信號的頻率。否則，流程在步驟1116中繼續(xù)，其中保持可變時鐘信號的最后(上個) 頻率。然后，在任一情況下在步驟1120中繼續(xù)流程，其中可變時鐘信號的頻率被降頻N倍以得到采樣時鐘信號。在步驟1122中，根據(jù)采樣時鐘信號來采樣傳感器103生成的響應信號。
[0082]在步驟1124中，基于是否收集了足夠的采樣來執(zhí)行平均操作來進行流程判定。采樣的該必要數(shù)量可以例如基于設計設置。如果沒有收集足夠的采樣，則流程在步驟1125中繼續(xù)，其中基于時鐘信號是否具有上升沿來進行另一流程判定。如果沒有檢測到上升沿，則流程在步驟1106中繼續(xù)。[〇〇83] 如果在步驟1125中檢測到上升沿，則流程在步驟1127中繼續(xù)，計數(shù)器被重置為0。 然后，在步驟1108中繼續(xù)流程。[〇〇84]如果在步驟1124中收集了用于平均的足夠采樣，則在步驟1126中繼續(xù)流程，這些采樣一起被平均以得到組合的壓力測量采樣。然后，在步驟118中結束方法。
[0085]根據(jù)各個實施例，電路或系統(tǒng)可以被配置為通過具有安裝在系統(tǒng)上的硬件、軟件、 固件或它們的組合(在操作中它們使系統(tǒng)執(zhí)行動作)來執(zhí)行特定的操作或動作。一個一般的方面包括一種測量方法，包括:通過包括微機電系統(tǒng)(MEMS)元件的傳感器響應于激勵信號生成響應信號;根據(jù)偽隨機跳動生成采樣時鐘信號;根據(jù)采樣時鐘信號來采樣響應信號，以確定多個數(shù)字采樣；以及組合多個數(shù)字采樣以形成測量采樣。本方面的其他實施例包括對應的電路和系統(tǒng)，被配置為執(zhí)行方法的各個動作。
[0086]實施方式可以包括以下特征中的一個或多個。在該方法中:生成采樣時鐘信號包括生成具有可變時鐘頻率的可變時鐘信號，其根據(jù)切換頻率來切換；以及采樣時鐘信號的周期是可變時鐘信號的周期的整數(shù)倍。在該方法中，激勵信號包括方波；以及MEMS元件包括第一壓敏電容器。在該方法中，生成可變時鐘信號包括:通過線性反饋移位寄存器(LFSR)根據(jù)可變時鐘信號和參考振蕩器信號生成LFSR狀態(tài)信號。在該方法中，生成可變時鐘信號還包括:根據(jù)可變時鐘信號和參考振蕩器信號生成計數(shù)器信號;根據(jù)計數(shù)器信號生成LFSR使能信號；以及根據(jù)LFSR狀態(tài)信號和計數(shù)器信號生成頻率選擇信號；生成LFSR狀態(tài)信號還根據(jù)LFSR使能信號；以及生成可變時鐘信號還根據(jù)頻率選擇信號。在該方法中，傳感器還包括電容橋，電容橋包括第一橋段和第二橋段;第二橋段包括第二壓敏電容器和第三電容器;第一橋段包括第一壓敏電容器和第四電容器；以及響應信號包括第一橋段的輸出信號和第二橋段的輸出信號。在該方法中，組合多個數(shù)字采樣包括對多個數(shù)字采樣求平均。在該方法中，切換頻率不小于MEMS元件的機械諧振頻率的0.9倍;并且切換頻率不大于MEMS元件的機械諧振頻率的1.1倍。所述技術的實施可以包括硬件、方法或工藝或者計算機可訪問介質上的計算機軟件。
[0087]—個一般的方面包括一種包括傳感器的測量電路，其中，傳感器包括微機電系統(tǒng) (MEMS)元件，電路被配置為:響應于激勵信號生成響應信號;根據(jù)偽隨機跳動生成采樣時鐘信號;根據(jù)采樣時鐘信號來采樣響應信號以確定多個數(shù)字采樣；以及組合多個數(shù)字采樣來形成測量采樣。該方面的其他實施例包括被配置為執(zhí)行方法的各個動作的對應電路和系統(tǒng)。
[0088]實施方式可以包括以下特征中的一個或多個。該電路還被配置為:生成具有可變時鐘頻率的可變時鐘信號，其根據(jù)切換頻率來切換，其中采樣時鐘信號的周期是可變時鐘信號的周期的整數(shù)倍。在該電路中，激勵信號包括方波；以及MEMS元件包括第一壓敏電容器。該電路還包括線性反饋移位寄存器(LFSR)，其被配置為根據(jù)可變時鐘信號和參考振蕩器信號生成LFSR狀態(tài)信號。在該電路中，電路被進一步配置為:根據(jù)可變時鐘信號和參考振蕩器信號生成計數(shù)器信號；根據(jù)頻率選擇信號生成可變時鐘信號；根據(jù)計數(shù)器信號生成 LFSR使能信號；以及根據(jù)LFSR狀態(tài)信號和計數(shù)器信號生成頻率選擇信號；以及LFSR被進一步配置為根據(jù)LFSR使能信號生成LFSR狀態(tài)信號。在該電路中，傳感器還包括電容橋，電容橋包括第一橋段和第二橋段;第二橋段包括第二壓敏電容器和第三電容器;第一橋段包括第一壓敏電容器和第四電容器；以及響應信號包括第一橋段的輸出信號和第二橋段的輸出信號。電路還被配置為對多個數(shù)字采樣進行平均以形成測量采樣。在該電路中，切換頻率不小于MEMS元件的機械諧振頻率的0.9倍；以及切換頻率不大于MEMS元件的機械諧振頻率的1.1 倍。所述技術的實施方式可以包括硬件、方法或工藝或者計算機可訪問介質上的計算機軟件。
[0089]—個一般的方面包括一種測量設備，包括:微機電系統(tǒng)(MEMS)元件；模數(shù)轉換器 (ADC)，耦合至MEMS元件的輸出，ADC包括偽隨機序列發(fā)生器和包括耦合至偽隨機序列發(fā)生器的輸出的輸入的第一振蕩器；以及濾波器，包括親合至ADC的輸出的輸入。該方面的其他實施例包括被配置為執(zhí)行方法的各個動作的對應電路和系統(tǒng)。
[0090]實施方式可以包括以下特征中的一個或多個。在該設備中，ADC包括耦合在第一振蕩器的輸出和濾波器輸入之間的分頻器。該設備還包括方波發(fā)生器，方波發(fā)生器包括耦合至MEMS元件的輸入的輸出，其中MEMS元件包括第一壓敏電容器。在該設備中，偽隨機序列發(fā)生器還包括線性反饋移位寄存器(LFSR)。在該設備中，偽隨機序列發(fā)生器還包括計數(shù)器和邏輯網(wǎng)絡;計數(shù)器包括耦合至參考振蕩器的輸出的計數(shù)器重置輸入和耦合至第一振蕩器輸出的計數(shù)器時鐘輸入;LFSR包括耦合至計數(shù)器的輸出的使能輸入、耦合至參考振蕩器輸出的LFSR重置輸入、親合至第一振蕩器輸出的LFSR時鐘輸入以及親合至第一振蕩器輸入的 LFSR輸出；以及邏輯網(wǎng)絡包括耦合至計數(shù)器輸出的第一邏輯輸入、耦合至LFSR輸出的第二邏輯輸入、耦合至LFSR的使能輸入的第一漏極輸出和耦合至第一振蕩器輸入的第二邏輯輸出。該設備還包括電容橋，其中，電容橋包括第一橋段和第二橋段，第二橋段包括第二壓敏電容器和第三電容器;第一橋段包括第一壓敏電容器和第四電容器。在該設備中，濾波器包括低通濾波器。在該設備中，設備占用不大于10立方毫米的體積。該設備還可以包括使用具有采樣跳動的微機電系統(tǒng)的測量系統(tǒng)和方法。所述技術的實施方案可包括硬件、方法或工藝或者計算機可訪問介質上的計算機軟件。
[0091]本發(fā)明的所示實施例具有抑制由諧振引起的窄帶噪聲的優(yōu)勢。示例性系統(tǒng)例如可以使用偽隨機采樣時鐘跳動來增加噪聲帶的寬度，使其可以更容易被濾掉。[〇〇92] 第三實施例[〇〇93]在第三實施例中，使用具有可變尺寸的陣列或MEMS壓力傳感器來實施MEMS壓力傳感器，使得每一個MEMS壓力傳感器都在不同的頻率下諧振。因此，當通過激勵信號刺激MEMS 壓力傳感器時，由于各個諧振響應相互異相，可以在各個時刻減小自鳴的振幅。這是例如通過電并聯(lián)連接傳感器添加各個諧振信號的情況。為了降低由MEMS壓力傳感器的欠阻尼響應引起的自鳴，設計有MEMS電容壓力傳感器的陣列。每個電容壓力傳感器都設計有不同尺寸， 使得用于每個電容元件的諧波頻率不同于陣列中的其他電容元件的諧波頻率。當利用方波激勵信號刺激時，每個電容傳感器元件都將利用不同的諧振頻率自鳴，并且衰減可能引發(fā) MEMS壓力傳感器的欠阻尼響應的諧波。[〇〇94] 圖12a示出了壓敏MEMS陣列1202的示意圖，以及圖12b示出了包括20個并聯(lián)連接單元的MEMS陣列的對應布局結構1204。每個單位單元都設計有不同的尺寸以具有不同的諧振頻率。例如，如圖12a所示，第一 MEMS單元每一側具有55.050wii的尺寸，第二MEMS單元每一側具有55.500wii的尺寸，并且最后一個MEMS單元每一側具有63.975wii的尺寸，具有+/-7.5 % 的總擴展。應該理解，圖12a和圖12b的實例僅僅是許多可能示例性實施方式中的一種。在本發(fā)明的可選實施例中，總的擴展可以不同，并且設備尺寸如何分配也不同。[〇〇95]由于每個MEMS單元都具有不同的尺寸，所以每個MEMS單元都具有不同的諧振頻率。因此，當被輸入激勵信號刺激時，每個MEMS單元都在不同的頻率下自鳴。在特定的時間周期處，自鳴振幅由于相干相消而可能較小，或者自鳴振幅由于相干相消而可能較大。在各個實施例中，與具有均等大小的MEMS的組件相比，降低了自鳴。在一個實施例中，選擇MEMS 單元的大小，使得MEMS單元的諧振頻率擴展，從而可以在發(fā)生相干相消的適當時間周期期間測量和/或采樣MEMS單元的輸出，從而減小或最小化由于MEMS單元的自鳴響應而引起的測量誤差。
[0096]在本發(fā)明的實施例中，最小和最大的MEMS傳感器單元之間的總幾何擴展以及如何分配單元大小可以通過執(zhí)行仿真以確定針對特定MEMS傳感器單元的大小擴展如何影響復合響應的自鳴的降低來確定。在一個具體實施例中，每個單元的尺寸的變化限制在7.5% 內(nèi)。然而，這僅是一個實例，并且在本發(fā)明的可選實施例中，尺寸變化的限制可以大于或小于 7.5%。[〇〇97]圖13示出了利用MEMS壓力傳感器的輸出波形的示圖，其中每個MEMS單元都具有相同尺寸和相同的諧振頻率。水平軸表示以毫秒為單位的時間，以及垂直軸表示輸出的標準化值。波形1300示出了當利用方波輸入激勵信號刺激時的輸出自鳴的標準化振幅。波形表示自鳴的較大穩(wěn)定時間和較大振幅。[〇〇98]圖14示出了利用MEMS壓力傳感器的輸出波形的示圖，其中每個單位單元具有不同的尺寸并且諧振頻率擴展。水平軸表示以秒為單位的時間，以及垂直軸表示輸出的標準化值。如圖所示，時間響應的穩(wěn)定時間快于圖13 (其中所有MEMS單元都具有相同尺寸)的示圖所表示的實施例。在一個實施例中，ADC可以在自鳴響應最小的時刻采樣MEMS壓力傳感器的輸出。在圖14的示圖表示的具體實施例中，當標準化自鳴響應小于0.1 %時，這種時間例如可以包括大約2ys和大約4ys之間或者6ys和9ys之間。在可選實施例中，可以根據(jù)特定實施例及其規(guī)格來使用其他穩(wěn)定時間和采樣周期。因此，在各個實施例中，MEMS諧振頻率和采樣時鐘頻率可以隨時間或溫度或電源電壓變化，而損失本示例性方法的優(yōu)勢。
[0099]圖15示出了輸出波形的頻譜的示圖，其中諧振頻率擴展。水平軸表示頻率且垂直軸表示幅度。在一個實施例中，諧振頻率在4.5MHz和6.2MHz之間擴展。
[0100]圖16示出了包括表示輸出電壓自鳴的兩個模擬波形的比較示圖。波形1602是包括 MEMS壓力傳感器陣列的實施例，其中每個單位單元都具有相同的尺寸和諧振頻率;而波形 1604是包括MEMS壓力傳感器陣列的實施例，其中每個單位單元都具有不同的尺寸。波形 1602示出了大約6uV的峰值-峰值的自鳴振幅，以及波形1604示出了大約luV的峰值-峰值的自鳴振幅。
[0101]根據(jù)各個實施例，電路或系統(tǒng)可以被配置為通過具有安裝在系統(tǒng)上的硬件、軟件、 固件或它們的組合(在操作中使系統(tǒng)執(zhí)行動作)來執(zhí)行特定的操作或動作。一個一般的方面包括用于使用微機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器執(zhí)行測量的方法，其中MEMS傳感器包括以橋式結構耦合的MEMS傳感器，其中多個MEMS傳感器包括不同的諧振頻率，該方法包括:向橋式結構的第一端口施加激勵信號，其中多個MEMS傳感器中的每一個都被激勵信號所刺激;測量橋式結構的第二端口處的信號；以及基于測量信號確定測量值。該方面的其他實施例包括被配置為執(zhí)行方法的各個動作的對應電路和系統(tǒng)。[〇1〇2]實施方式可以包括以下特征中的一個或多個。在該方法中，MEMS傳感器包括MEMS 壓力傳感器，并且測量值包括壓力。在該方法中，橋式結構包括:第一分支，具有耦合至第一電容器的MEMS傳感器的第一組；以及第二分支，具有耦合至第二電容器的MEMS傳感器的第二組。在該方法中，多個MEMS傳感器中的每一個都包括不同的大小尺寸。在該方法中，大小尺寸可以改變大約+/-7.5%。在該方法中，均勻地分配大小尺寸。在該方法中，測量橋式結構的第二端口處的信號包括執(zhí)行A/D轉換。在該方法中，橋式結構的瞬態(tài)響應包括不同諧振頻率的自鳴，并且自鳴包括相干相長的時間間隔和相干相消的間隔。在該方法中，測量橋式結構的第二端口處的信號包括:在相干相消的間隔期間測量橋式結構的第二端口處的信號。在該方法中，測量信號還包括在相干相消的間隔期間采樣信號。在該方法中，測量信號還包括在相干相消的間隔期間執(zhí)行信號的A/D轉換。所述技術的實施可包括硬件、方法或工藝或者計算機可訪問介質上的計算機軟件。[〇1〇3]—個一般的方面包括一種系統(tǒng)，包括:微機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器陣列，包括橋，橋包括第一橋段和第二橋段，其中第一橋段包括耦合至第一參考MEMS電容器的第一壓敏MEMS 傳感器，其中第一壓敏MEMS傳感器包括具有不同諧振頻率的多個MEMS傳感器的第一陣列。 本方面的其他實施例包括被配置為執(zhí)行方法的各個動作的對應電路和系統(tǒng)。
[0104]實施方式可以包括以下特征中的一個或多個。在該系統(tǒng)中，第二橋段包括耦合至第二參考MEMS電容器的第二壓敏MEMS傳感器，其中第二壓敏MEMS傳感器包括具有不同諧振頻率的多個MEMS傳感器的第二陣列。在該系統(tǒng)中，第一陣列的多個MEMS傳感器并聯(lián)耦合;并且第二陣列的多個MEMS傳感器并聯(lián)耦合。在該系統(tǒng)中，第一陣列的多個MEMS傳感器是矩形的。在該系統(tǒng)中，第一陣列的多個MEMS傳感器都具有不同的尺寸。在該系統(tǒng)中，不同的尺寸包括不同的長度。在該系統(tǒng)中，不同的長度可具有大約+/-7.5%的變化。該系統(tǒng)還包括:激勵發(fā)生器，具有耦合至MEMS傳感器陣列的第一端口的輸出；以及測量電路，具有耦合至MEMS 傳感器陣列的第二端口的輸入。在該系統(tǒng)中，測量電路包括A/D轉換器。該系統(tǒng)還包括耦合至A/D轉換器的輸出的濾波器。在該系統(tǒng)中，濾波器包括低通濾波器。所述技術的實施方式可以包括硬件、方法或工藝或者計算機可訪問介質上的計算機軟件。[〇1〇5]一些實施例的優(yōu)勢包括當電容MEMS陣列設計有具有不同尺寸和諧振頻率的MEMS單元時降低自鳴的效應的能力。
[0106] 第四實施例[〇1〇7]在第四實施例中，過采樣模數(shù)轉換器(ADC)用于監(jiān)控MEMS傳感器的輸出。為了緩解過采樣ADC中的空閑音調，抖動時鐘用于操作過采樣ADC。在一些實施例中，抖動時鐘信號可以根據(jù)本文公開的第二實施例來生成。
[0108]根據(jù)各個實施例，使用A型模數(shù)轉換器(ADC)來執(zhí)行模擬信號到數(shù)字域的轉換。各個示例性△型ADC包括反饋和參考電源。對于壓力感應，測量信號通常在接近DC的非常低的頻率處。例如，壓力感應可以測量〇至10Hz的輸入信號。發(fā)明人已經(jīng)確定，2-A型 ADC中存在的空閑音調以乘法方式與參考電壓源中的噪聲交互以產(chǎn)生DC處的誤差分量。在各個實施例中，A型ADC設置有抖動時鐘以擴展噪聲分量并降低或去除DC處的誤差分量。在這種實施例中，抖動時鐘用作用于接口電路的系統(tǒng)時鐘，其中接口電路例如包括電壓電源電路、A型ADC、輸出濾波器或其他部件。
[0109]圖17示出了示例性MEMS壓力傳感器系統(tǒng)1700的系統(tǒng)框圖，其包括MEMS壓力傳感器 1702、輸出電路1704、抖動時鐘1706和電源電路1708。根據(jù)各個實施例，MEMS壓力傳感器 1702將物理壓力測量值Pmes轉換為模擬信號Ames JEMS壓力傳感器1702接收來自電源電路 1708的電壓參考VREF，電源電路1708可以基于來自抖動時鐘1706的抖動時鐘信號CLK生成切換電壓作為電壓參考Vref。電源電路1708還可以向輸出電路1704提供電壓參考Vref。輸出電路1704接收模擬信號Ames并基于模擬信號Ames生成數(shù)字壓力信號Dmes。
[0110]在各個實施例中，輸出電路1704進行操作以放大、轉換和濾波模擬信號Ames以生成數(shù)字壓力信號Dmes。在這種實施例中，輸出電路包括2-A型ADC，其基于被來自抖動時鐘 1706的抖動時鐘信號CLK控制的米樣時間將模擬信號Ames轉換為數(shù)字壓力信號Dmes?；诙秳訒r鐘的S _ A型ADC的操作可以減少或去除通過來自2 - A型ADC的空閑音調與電壓參考 Vref中的噪聲的干擾而生成的DC噪聲分量。
[0111]圖18示出了又一示例性MEMS壓力傳感器系統(tǒng)1800的示意性框圖，其包括差分輸出 MEMS壓力換能器1802和專用集成電路(ASIC) 1803，ASIC 1803進一步包括輸出電路1804、抖動時鐘1806和電壓參考電源1808。輸出電路1804包括放大器1810、遞增2-A型ADC 1812和抽選濾波器1814 JEMS壓力傳感器系統(tǒng)1800可以是上面參照圖17描述的MEMS壓力傳感器系統(tǒng)1700的一種實施方式。[〇112]根據(jù)各個實施例中，差分輸出電容MEMS壓力換能器1802將物理壓力信號轉換為差分模擬輸出(包括模擬信號A+和A-)。差分輸出電容MEMS壓力換能器1802包括與參考電容結構1822和參考電容結構1826連接的可變電容結構1820和可變電容結構1824作為電容橋，從如圖所示的電容橋的每個分支的中心節(jié)點輸出模擬信號A+和A-。在這種實施例中，參考電容結構1822和參考電容結構1826可以由通過介電間隔件隔開的導電結構形成，即形成平行板，其中導電結構的間隔是固定的并且不響應于壓力改變而變化?？勺冸娙萁Y構1820和可變電容結構1824由通過間隔距離隔開的導電結構形成，其中導電結構的間隔取決于施加至導電結構的壓力。例如，可變電容結構1820和可變電容結構1824均可以包括形成在襯底上方的密封腔上方的可偏轉隔膜，在隔膜下方具有導電擴展區(qū)域。在這種實施例中，可變電容結構的隔膜可以由于外表面和密封腔之間的壓差而偏轉。這種偏轉影響隔膜與導電擴展區(qū)域之間的電容，在隔膜和導電擴散區(qū)域的電接觸件處測量電容。參考電容結構1822和參考電容結構1826均可以具有類似的結構，其中腔填充有介電間隔材料。在其他實施例中，許多類型的電容壓力傳感器可用于差分輸出電容MEMS壓力換能器1802,其例如包括電容梳狀驅動結構、多個板釋放電容板結構或者其他電容MEMS結構。
[0113]在各個實施例中，從差分輸出電容MEMS壓力換能器1802向放大器1810提供包括模擬信號A+和A-的差分模擬輸出，放大器1810放大差分信號并向遞增2-A型ADC 1812提供與測量的物理壓力成比例的放大模擬電信號。在其他實施例中，遞增S _ A型ADC 1812可以是任何類型的S - A型ADC。在一個具體實施例中，遞增2 - A型ADC 1812在結束操作之前操作一組持續(xù)時間或者多個采樣，因此被稱為遞增。這種實施例可以降低功耗。遞增2-A型 ADC 1812開始在固定的時間延遲上或者響應于閾值等級之上的壓力變化開始操作(例如， 喚醒)。在一些實施例中，ADC 1812在例如通過目標精度設置確定的特定時間段內(nèi)上電，然后斷開直到請求下一轉換。
[0114]在各個實施例中，遞增2-A型ADC 1812根據(jù)抖動時鐘信號CLK來操作，以生成與輸入放大模擬電信號成比例的數(shù)字輸出信號，其中輸入放大模擬電信號與來自差分輸出電容MEMS壓力換能器1802的測量物理壓力成比例。遞增2 - A型ADC 1812包括連續(xù)調整數(shù)字輸出信號的反饋機制。以下參照圖21a和圖21b提供兩個示例性2-A型ADC的進一步的描述。[〇115]在各個實施例中，來自遞增2-A型ADC 1812的數(shù)字輸出信號可以具有高位速率。 例如，遞增A型ADC 1812可以包括比預期的采樣率高1000或10000倍的級別的采樣率， 即過采樣率。在一個具體實施例中，遞增S - A型ADC 1812可以基于160kHz的采樣率(其對應于每秒160,000個采樣)輸出數(shù)字信號。對于這種系統(tǒng)，預期的數(shù)字輸出信號可以僅為 10Hz。在這種實施例中，抽選濾波器1814將160kHz的信號減小至10Hz，并在10Hz頻率處輸出數(shù)字輸出信號Dolit，其與來自差分輸出電容MEMS壓力換能器1802的測量物理壓力信號成比例。因此，抽選濾波器1814將位速率降低16,000倍。在其他實施例中，抽選濾波器1814可以將位速率降低其他倍數(shù)。
[0116]根據(jù)各個實施例，抖動時鐘1806將抖動時鐘信號CLK提供給遞增2-A型ADC 1812，用于控制2 - A型ADC的采樣率。在各個實施例中，抖動時鐘信號CLK還可以提供給電壓參考電源1808、放大器1810或抽選濾波器1814。抖動時鐘1806生成具有跳動或隨機周期的抖動時鐘信號CLK。通常，時鐘信號生成有固定或恒定的周期，例如包括恒定的自鳴或邏輯高持續(xù)時間以及恒定的下降或邏輯低持續(xù)時間。在抖動時鐘1806的情況下，調整上升或邏輯高持續(xù)時間以及下降或邏輯低持續(xù)時間。在這種實施例中，抖動時鐘信號CLK的調整可以是隨機或偽隨機的。因此，抖動時鐘信號CLK被生成為故意包括具有變化的上升或邏輯高持續(xù)時間或者變化的下降或邏輯低持續(xù)時間的大量時鐘跳動。
[0117]在各個實施例中，電壓參考電源1808向遞增2-A型ADC 1812提供電壓參考Vref，從而向ADC提供電能。電壓參考電源1808還可以向差分輸出電容MEMS壓力換能器1802提供參考電壓，以偏置電容結構。具體地，電壓參考電源1808提供正參考電壓V+和負參考電壓 V-。在一些具體實施例中，電壓參考電源1808向差分輸出電容MEMS壓力換能器1802提供脈沖參考電壓。在這種實施例中，電壓參考電源1808可以包括斷流開關以切換提供給差分輸出電容MEMS壓力換能器1802的參考電壓。
[0118]在各個實施例中，差分輸出電容MEMS壓力換能器1802和ASIC1803形成在獨立的晶圓或管芯上。在其他實施例中，差分輸出電容MEMS壓力換能器1802和ASIC 1803形成在相同的晶圓或管芯上，諸如單個集成電路(1C)管芯。
[0119]圖19a和圖19b示出了在2-A型ADC中生成的示例性噪聲信號的波形圖。圖19a示出了繪制示出S _ △型ADC的輸出的快速傅里葉變換(FFT)的曲線1901，其還示出了分別處于大約65kHz和95kHz處的空閑音調1912和空閑音調1914。如圖所示，空閑音調是輸出中的特定頻率處不想要的位序列，其不基于5: - A型ADC的輸入信號。這些空閑音調是2 - A型 ADC中的反饋機制的產(chǎn)物，并且可以在ADC的輸入信號不“忙”時存在。在一些情況下，當ADC 使用一位(2等級)均衡器時，空閑音調可以尤其強。這種情況可應用于示例性壓力傳感器， 其使用具有一位均衡器的A型ADC來用于良好的線性。
[0120]圖19b示出了表示2 - A型ADC的位數(shù)(其表示近似精度)的曲線1900。曲線1900通過在5: - A型ADC的參考電壓處引入不想要的正弦波來生成，以確定2 - A型ADC相對于電源電壓波紋的魯棒性。該正弦波的頻率從〇到160kHz，并且測量積分噪聲。因此，ADC對Vref (其具有與空閑音調相同的頻率)處的干擾最敏感。由于空閑音調頻率隨著S - A型ADC的DC輸入等級(其在一些實施例中可以是來自MEMS傳感器的測量壓力)而變化，所以對干擾的敏感性隨ADC輸入而變化。這種行為在一些實施例中是存在問題的，因為難以預測空閑音調是否在特定應用中引起問題。在該示例性S - A型ADC中，存在分別與圖19a所示的空閑音調1912 和1914的頻率相對應的點1902和1904處的大約65kHz和95kHz的精度的劇烈降低。
[0121]如上簡要所述，發(fā)明人已經(jīng)確定，2-A型ADC中存在的空閑音調以乘法方式與參考電壓電源中的噪聲交互以產(chǎn)生DC處的誤差分量。因此，空閑音調1902和空閑音調1904可以與提供給A型ADC的參考電壓中的噪聲交互。如上面參照圖17和圖18所述，各個實施例包括向S - A型A D C提供抖動時鐘信號C L K。在這種實施例中，空閑音調(諸如空閑音調 1902和空閑音調1904)的尖銳值在頻譜上被分散，并且減少或去除了根據(jù)空閑音調與參考電壓電源中的噪聲組合產(chǎn)生的DC處的噪聲分量。在圖20中示出了示例性噪聲曲線。
[0122]圖20示出了在不具有抖動時鐘(曲線2000)和具有抖動時鐘(曲線2001)的情況下在5: - A型ADC中生成的噪聲信號的波形圖，示出了相對于參考電壓打擾頻率的分辨率的比較。如圖所示，具有標準非抖動時鐘(曲線2000)的示例性2-A型ADC在與上面的圖19所示的空閑音調1912和1914相對應的點2002和2004處顯示出性能的損失。然而，具有抖動時鐘的示例性A型ADC基本上不會在空閑音調頻率處損失噪聲性能。如曲線2001所示，在 65kHz和95kHz空閑音調頻率處顯著降低了噪聲性能的損失。在這種實施例中，時鐘抖動可以擴展空閑音調的頻譜，并且減少或去除由空閑音調和參考電壓電源中的噪聲的乘法交互而產(chǎn)生的DC噪聲分量。
[0123]圖21a和圖21b示出了示例性2-A型ADC 2100和2101的示意性框圖。圖21a示出了離散時間2-A型ADC 2100,其包括采樣開關2102、回路濾波器2104、比較器2106、數(shù)模轉換器(DAC)2108和加法器2110。根據(jù)各個實施例，離散時間5: - A型ADC 2100在采樣開關2101 處接收模擬輸入信號Ain。模擬輸入信號Ain可以是從親合至電容MEMS壓力換能器的放大器接收的放大模擬信號，諸如來自上面參照圖18所述的放大器1810。因此，模擬輸入信號AIN例如可以與測量物理壓力信號成比例。
[0124]在各個實施例中，采樣開關2102被抖動時鐘信號CLK控制，該抖動時鐘信號可以從上面參照圖17和圖18描述的抖動時鐘1706或1806提供。抖動時鐘信號CLK使得采樣開關 2102根據(jù)等于抖動時鐘信號CLK的頻率的采樣率來接通和斷開。因此，采樣開關2102生成采樣模擬輸入信號SAIN，通過加法器2110將其提供給回路濾波器2104。通過采樣，模擬信號不再是連續(xù)信號，而是離散采樣的模擬輸入信號SAIN。在這種實施例中，回路濾波器2104可以實施為低通濾波器(LPF)，以去除高頻分量。在一些實施例中，回路濾波器2104被實施為積分器。
[0125]根據(jù)各個實施例，在回路濾波器2104中濾波之后，采樣和濾波模擬輸入信號被提供給比較器2106,比較器2106將輸入信號與閾值進行比較。例如，閾值可以為0V。基于比較， 比較器2106提供數(shù)字輸出信號Dciut。數(shù)字輸出信號Dciut中的位流與模擬輸入信號Ain成比例。 此外，通過DAC 2108提供數(shù)字輸出信號Dout返回到加法器2110。在這種實施例中，向DAC 2108提供電壓參考Vref，諸如來自上面參照圖17和圖18描述的電源電路1708或電壓參考電源 1808。
[0126]如本文所討論的，一些2-A型ADC的反饋回路可以生成空閑音調，并且在電壓參考Vref中可能存在噪聲。在這種ADC中，這兩個誤差源可以通過DAC乘法組合以形成DC誤差分量。在各個實施例中，來自抖動時鐘的抖動時鐘信號CLK的引入擴展空閑音調的頻率，并且減少或去除了DC誤差分量。加法器2110將DAC 2108的恢復模擬輸出與采樣模擬輸入SAtWI 合以提供用于改進性能的反饋。
[0127]圖21b示出了連續(xù)時間2-A型ADC 2101，其包括回路濾波器2105、計時比較器 2112、DAC 2108和加法器2110。根據(jù)各個實施例，連續(xù)時間2-A型ADC 2101如上面參照圖 21a的離散時間2-A型ADC 2100所述進行操作，其中去除了采樣開關2102,用回路濾波器 2105替代回路濾波器2104,并且用計時比較器2112代替比較器2106。在這種實施例中，通過加法器2110將模擬輸入信號AIN提供給回路濾波器2105?；芈窞V波器2105可以如參照回路濾波器2104所述進行操作，但是被配置為接收模擬輸入信號AIN中的連續(xù)時間信號來代替采樣模擬輸入信號SAin中的離散米樣信號。
[0128]在各個實施例中，計時比較器2112將濾波模擬輸入信號與閾值電壓進行比較，并提供利用抖動時鐘信號CLK的轉換結果以生成數(shù)字輸出信號DQUT。在一些實施例中，閾值電壓可以為〇伏特、VDD/2和/或其他閾值電壓。在這種實施例中，抖動時鐘信號CLK確定連續(xù)時間2-A型ADC 2101的采樣率。如上面參照圖21a所述，DAC 2108通過加法器2110提供反饋。
[0129]在這種實施例中，向計時比較器2112提供抖動時鐘信號CLK提供了與上面參照其他附圖中的抖動時鐘信號CLK所述相同的優(yōu)勢。
[0130]圖22示出了用于傳感器的操作2200的示例性方法的框圖。操作2200的方法包括步驟2202-2212。根據(jù)各個實施例，步驟2202包括將壓力信號轉換為電信號。壓力信號可以使用電容MEMS壓力換能器來測量和轉換。步驟2204包括通過放大電信號來生成放大電信號。 例如，電信號可以通過差分輸入放大器來放大。步驟2206包括生成抖動時鐘信號。在這種實施例中，在傳感器系統(tǒng)中包括抖動時鐘以生成抖動時鐘信號。在步驟2207中，參考電壓被提供給2-A型ADC。[〇131]根據(jù)各個實施例，步驟2208包括使用2 - A型ADC將放大的電信號轉換為數(shù)字信號，其中利用被步驟2206中生成的抖動時鐘信號控制的采樣時間來操作2 - A型ADC。在各個實施例中，步驟2202-2208可以被重新配置并以其他順序來執(zhí)行，并且操作2200的方法可以被修改以包括附加步驟。
[0132]根據(jù)各個實施例，電路或系統(tǒng)可以被配置為通過具有安裝在系統(tǒng)上的硬件、軟件、 固件或它們的組合(在操作中使系統(tǒng)執(zhí)行動作)來執(zhí)行具體的操作或動作。根據(jù)一個實施例，一種傳感器電路包括:A型模數(shù)轉換器(ADC)，被配置為耦合至低頻換能器;抖動時鐘，耦合至S - A型ADC并被配置為基于抖動時鐘信號控制2 - A型ADC;以及電源電壓電路， 耦合至2-A型ADC。其他實施例包括對應的系統(tǒng)和裝置，每一個都被配置為執(zhí)行各種示例性方法。
[0133]在各個實施例中，傳感器電路還包括低頻換能器，其中低頻換能器包括微機電系統(tǒng)(MEMS)壓力換能器。在一些實施例中，MEMS壓力換能器包括差分電容MEMS壓力換能器。在又一些實施例中，傳感器電路還包括放大器，其具有耦合至MEMS壓力換能器的輸入以及耦合至2-A型ADC的輸出。在這種實施例中，放大器可以包括差分輸入放大器，其具有耦合至 MEMS壓力換能器的第一電容結構的第一輸入以及耦合至MEMS壓力換能器的第二電容結構的第二輸入。
[0134]在各個實施例中，電源電壓電路還耦合至抖動時鐘，并且被配置為基于抖動時鐘信號進行操作。在一些實施例中，電源電壓電路包括被配置為基于抖動時鐘信號進行操作的計時充電栗電路。
[0135]在各個實施例中，傳感器電路包括耦合至2-A型ADC的濾波器。濾波器可以包括抽選濾波器。在一些實施例中，S _ A型ADC包括采樣2 - A型ADC，其包括具有基于抖動時鐘信號的采樣時間的采樣開關、耦合至采樣開關的回路濾波器、耦合至回路濾波器的比較器以及耦合至比較器和回路濾波器的輸入的負反饋回路。在又一些實施例中，S - A型ADC包括連續(xù)時間A型ADC，其包括回路濾波器、耦合至回路濾波器并被配置為基于抖動時鐘信號進行操作的計時比較器以及耦合至計時比較器和回路濾波器的輸入的負反饋回路。
[0136]根據(jù)一個實施例，操作傳感器的方法包括:接收來自低頻換能器的電信號;生成抖動時鐘信號；以及使用基于抖動時鐘信號操作的A型模數(shù)轉換器(ADC)，將電信號轉換為數(shù)字信號。其他實施例包括對應的系統(tǒng)和裝置，每一個都被配置為執(zhí)行各種示例性方法。
[0137]在各個實施例中，該方法還包括:在MEMS壓力換能器處將壓力信號轉換為電信號。 該方法可進一步包括:在將電信號轉換為數(shù)字信號之前放大電信號。在一些實施例中，該方法進一步包括:生成參考電壓；以及將參考電壓提供給A型ADC。在這種實施例中，生成參考電壓可以包括使用抖動時鐘信號來計時充電栗電路。
[0138]在各個實施例中，該方法進一步包括使用抽選濾波器來濾波數(shù)字信號。在一些實施例中，使用基于抖動時鐘信號進行操作的A型ADC將電信號轉換為數(shù)字信號包括:通過利用基于抖動時鐘信號的采樣時間對電信號進行采樣來生成采樣信號;通過在回路濾波器處濾波采樣信號來生成濾波信號;通過將濾波信號與閾值比較來生成數(shù)字信號；以及基于數(shù)字信號生成用于回路濾波器的反饋信號。
[0139]在各個實施例中，使用基于抖動時鐘信號進行操作的2-A型ADC將電信號轉換為數(shù)字信號包括:通過在回路濾波器處濾波電信號來生成濾波信號;基于抖動時鐘信號，通過將濾波信號與閾值進行比較來生成數(shù)字信號；以及基于數(shù)字信號生成用于回路濾波器的反饋信號。
[0140]根據(jù)一個實施例，微機電系統(tǒng)(MEMS)電容壓力傳感器系統(tǒng)包括差分輸出MEMS電容壓力傳感器，其包括第一參考電容結構、被配置為參考第一壓力信號改變第一電容值的第一可變電容結構、親合在第一參考電容結構和第一可變電容結構之間的第一輸出、第二參考電容結構、被配置為參考第二壓力信號改變第二電容值的第二可變電容結構以及耦合在第二參考電容結構與第二可變電容結構之間的第二輸出。MEMS電容壓力傳感器系統(tǒng)還包括:差分放大器，親合至差分輸出MEMS電容壓力傳感器的第一輸出和第二輸出；2-A型模數(shù)轉換器(ADC)，耦合至差分放大器的輸出；以及抖動時鐘，耦合至2 - A型ADC并被配置為使用抖動時鐘信號控制S _ △型ADC的采樣時間。其他實施例包括對應系統(tǒng)和裝置，每一個都被配置為執(zhí)行各種示例性方法。[0141 ]在各個實施例中，MEMS電容壓力傳感器系統(tǒng)還包括耦合至2 - A型ADC的電源電壓電路。在一些實施例中，電源電壓電路包括電荷栗電路，其耦合至抖動時鐘并被配置為利用抖動時鐘信號來計時。在又一些實施例中，S _ A型ADC包括遞增2 - A型ADC。在附加實施例中，第一壓力信號和第二壓力信號是相同的壓力信號。
[0142]在一些具體實施例中，具有根據(jù)由抖動時鐘生成的抖動時鐘信號操作的2-A型 ADC的MEMS壓力換能器是尤其有利的。在這種具體實施例中，如上所述，絕對壓力測量或非常低頻的壓力測量具體被來自空閑音調和參考電壓噪聲的DC噪聲所影響。因此，這些具體實施例包括降低噪聲或減少DC和非常低頻測量處的誤差分量的優(yōu)勢，這使得提高了靈敏度或較大的分辨率。
[0143]一些實施例的又一些優(yōu)勢包括具有非常強健的傳感器，其不太受傳感器供應節(jié)點處的干擾所影響，尤其不受具有與ADC空閑音調相同或相似頻率的音調干擾的影響。
[0144]雖然參照所示實施例描述了本發(fā)明，但說明書不用于限制。本領域技術人員在說明書的基礎上明白所示實施例的各種修改和組合以及本發(fā)明的其他實施例。因此，所附權利要求包括任何這些修改或實施例。
【主權項】
1.一種傳感器電路，包括: Σ-Δ型模數(shù)轉換器(ADC)，被配置為耦合至低頻換能器； 抖動時鐘，耦合至所述Σ - Δ型ADC，并且被配置為基于抖動時鐘信號控制所述Σ - Δ型ADC;以及 電源電壓電路，耦合至所述Σ-Δ型ADC。2.根據(jù)權利要求1所述的傳感器電路，還包括所述低頻換能器，其中所述低頻換能器包括微機電系統(tǒng)(MEMS)壓力換能器。3.根據(jù)權利要求2所述的傳感器電路，其中所述MEMS壓力換能器包括差分電容MEMS壓力換能器。4.根據(jù)權利要求2所述的傳感器電路，還包括:放大器，具有耦合至所述MEMS壓力換能器的輸入和耦合至所述Σ - Δ型ADC的輸出。5.根據(jù)權利要求4所述的傳感器電路，其中所述放大器包括:差分輸入放大器，具有耦合至所述MEMS壓力換能器的第一電容結構的第一輸入和耦合至所述MEMS壓力換能器的第二電容結構的第二輸入。6.根據(jù)權利要求1所述的傳感器電路，其中所述電源電壓電路還耦合至所述抖動時鐘，并且被配置為基于所述抖動時鐘信號進行操作。7.根據(jù)權利要求6所述的傳感器電路，其中所述電源電壓電路包括被配置為基于所述抖動時鐘信號進行操作的計時充電栗電路。8.根據(jù)權利要求1所述的傳感器電路，還包括耦合至所述Σ-△型ADC的濾波器。9.根據(jù)權利要求8所述的傳感器電路，其中所述濾波器包括抽取濾波器。10.根據(jù)權利要求1所述的傳感器電路，其中所述Σ-Δ型ADC包括采樣Σ-Δ型ADC，所述采樣Σ-Δ型ADC包括: 采樣開關，具有基于所述抖動時鐘信號的采樣時間； 回路濾波器，耦合至所述采樣開關； 比較器，耦合至所述回路濾波器；以及 負反饋回路，耦合至所述比較器以及所述回路濾波器的輸入。11.根據(jù)權利要求1所述的傳感器電路，其中所述Σ-Δ型ADC包括連續(xù)時間Σ-Δ型ADC，所述連續(xù)時間Σ - Δ型ADC包括: 回路濾波器； 計時比較器，耦合至所述回路濾波器并被配置為基于所述抖動時鐘信號進行操作；以及 負反饋回路，耦合至所述計時比較器以及所述回路濾波器的輸入。12.一種操作傳感器的方法，所述方法包括: 接收來自低頻換能器的電信號； 生成抖動時鐘信號；以及 使用基于所述抖動時鐘信號操作的Σ-Δ型模數(shù)轉換器(ADC)將所述電信號轉換為數(shù)字信號。13.根據(jù)權利要求12所述的方法，還包括:在MEMS壓力換能器處，將壓力信號轉換為所述電信號。14.根據(jù)權利要求13所述的方法，還包括:在將所述電信號轉換為所述數(shù)字信號之前放大所述電信號。15.根據(jù)權利要求12所述的方法，還包括: 生成參考電壓；以及 將所述參考電壓提供給所述Σ - Δ型ADC。16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中生成所述參考電壓包括:使用所述抖動時鐘信號對充電栗電路計時。17.根據(jù)權利要求12所述的方法，還包括:使用抽選濾波器來對所述數(shù)字信號進行濾波。18.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中使用基于所述抖動時鐘信號操作的所述Σ-Δ型ADC將所述電信號轉換為所述數(shù)字信號包括: 通過利用基于所述抖動時鐘信號的采樣時間對所述電信號進行采樣來生成采樣信號； 通過在回路濾波器處濾波所述采樣信號來生成濾波信號； 通過將所述濾波信號與閾值進行比較來生成所述數(shù)字信號；以及 基于所述數(shù)字信號生成用于所述回路濾波器的反饋信號。19.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中使用基于所述抖動時鐘信號操作的所述Σ-Δ型ADC將所述電信號轉換為所述數(shù)字信號包括: 通過在回路濾波器處濾波所述電信號來生成濾波信號； 基于所述抖動時鐘信號，通過將所述濾波信號與閾值進行比較來生成所述數(shù)字信號；以及 基于所述數(shù)字信號，生成用于所述回路濾波器的反饋信號。20.一種微機電系統(tǒng)(MEMS)電容壓力傳感器系統(tǒng)，包括: 差分輸出MEMS電容壓力傳感器，包括: 第一參考電容結構， 第一可變電容結構，被配置為參考第一壓力信號改變第一電容值， 第一輸出，耦合在所述第一參考電容結構與所述第一可變電容結構之間， 第二參考電容結構， 第二可變電容結構，被配置為參考第二壓力信號改變第二電容值，和 第二輸出，耦合在所述第二參考電容結構與所述第二可變電容結構之間； 差分放大器，耦合至所述差分輸出MEMS電容壓力傳感器的所述第一輸出和所述第二輸出； Σ - Δ型模數(shù)轉換器(ADC)，耦合至所述差分放大器的輸出；以及抖動時鐘，耦合至所述Σ - Δ型ADC并且被配置為使用抖動時鐘信號控制所述Σ - Δ型ADC的采樣時間。21.根據(jù)權利要求20所述的MEMS電容壓力傳感器系統(tǒng)，還包括耦合至所述Σ- Δ型ADC的電源電壓電路。22.根據(jù)權利要求21所述的MEMS電容壓力傳感器系統(tǒng)，其中所述電源電壓電路包括電荷栗電路，所述電荷栗電路耦合至所述抖動時鐘并且被配置為利用所述抖動時鐘信號來計時。23.根據(jù)權利要求22所述的MEMS電容壓力傳感器系統(tǒng)，其中所述5: - A型ADC包括遞增 X-A?ADC。24.根據(jù)權利要求20所述的MEMS電容壓力傳感器系統(tǒng)，其中所述第一壓力信號和所述 第二壓力信號是相同的壓力信號。
【文檔編號】G01L1/14GK106067823SQ201610245492
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年4月19日 公開號201610245492.X, CN 106067823 A, CN 106067823A, CN 201610245492, CN-A-106067823, CN106067823 A, CN106067823A, CN201610245492, CN201610245492.X
【發(fā)明人】D·斯特雷尤斯尼格, C·埃布納, C·簡克納, S·梅欽, E·羅馬尼, A·韋斯鮑爾
【申請人】英飛凌科技股份有限公司