阅读说明：本技术 Mems传感器检测装置以及mems传感器系统 (MEMS sensor detection device and MEMS sensor system ) 是由 李宗伟 韩可都 刘婧 冯方方 杨长春 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种MEMS传感器检测装置以及MEMS传感器系统,所述MEMS传感器检测装置包括：读出电路,用于对MEMS传感器的输出信号进行模拟信号处理,以产生检测电压；抵消电压产生电路,用于根据所述检测电压产生重力抵消电压,所述重力抵消电压和重力加速度成正比例关系；选择电路,用于在反馈阶段选择所述检测电压输出,在重力抵消阶段选择所述重力抵消电压输出,其中,在一个检测周期内所述反馈阶段位于所述重力抵消阶段之后；反馈电路,用于根据所述选择电路的输出电压产生反馈电压,所述反馈电压和所述选择电路的输出电压成正比例关系。本发明公开的MEMS传感器检测装置以及MEMS传感器系统,能够抵消重力加速度的影响,提高MEMS传感器系统的灵敏度。(The invention discloses a MEMS sensor detection device and a MEMS sensor system, wherein the MEMS sensor detection device comprises: the reading circuit is used for carrying out analog signal processing on an output signal of the MEMS sensor to generate a detection voltage; the offset voltage generating circuit is used for generating a gravity offset voltage according to the detection voltage, and the gravity offset voltage and the gravity acceleration are in a direct proportional relation; a selection circuit for selecting the detection voltage output in a feedback phase and the gravity cancellation voltage output in a gravity cancellation phase, wherein the feedback phase is located after the gravity cancellation phase within a detection period; and the feedback circuit is used for generating a feedback voltage according to the output voltage of the selection circuit, and the feedback voltage and the output voltage of the selection circuit are in a direct proportion relation. The MEMS sensor detection device and the MEMS sensor system disclosed by the invention can offset the influence of gravity acceleration and improve the sensitivity of the MEMS sensor system.)

MEMS传感器检测装置以及MEMS传感器系统

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，具体涉及一种MEMS传感器检测装置以及MEMS传感器系统。

背景技术

在人工智能、自动驾驶、惯性导航以及物联网的进一步发展之下，信号检测显得尤为重要，而与信号检测息息相关的传感器技术也得到了迅速发展。特别是物联网的发展，使得传感器产品需求大幅度增加，重心也逐渐转向技术含量较高的微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems)传感器领域。微机电系统是利用传统的半导体工艺和材料，集微传感器、微执行器、微机械机构、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统，具有体积小、成本低、集成化等优点。

图1是现有的一种MEMS传感器系统的电路结构示意图，所述MEMS传感器系统采用模拟闭环负反馈架构，包括MEMS传感器10以及所述MEMS传感器10的检测装置，其中，所述检测装置包括读出电路11、反馈电路12以及开关S11。具体地，所述MEMS传感器10为电容式MEMS加速度传感器，用于将加速度转换为微弱信号输出；所述读出电路11用于对所述MEMS传感器10的输出信号进行放大、滤波等模拟信号处理，产生检测电压V_S；所述开关S11在所述检测装置工作于反馈阶段时导通，将所述检测电压V_S传输至所述反馈电路12；所述反馈电路12用于根据所述检测电压V_S产生与所述检测电压V_S成比例的反馈电压V_F，以向所述MEMS传感器10提供反馈静电力，所述反馈静电力使得所述MEMS传感器10中的检测质量块始终保持在平衡位置处进行小范围波动。

灵敏度是指传感器系统稳定工作时其检测方向输出变化量与输入变化量的比值。对于图1所示的MEMS传感器系统，假设所述MEMS传感器10检测的加速度范围为±2g，灵敏度为2V/g，假定读出电路的输出电压最大值为4V，则所述检测电压V_S的最大电压值为4V，其中，g为重力加速度。如果要提高所述MEMS传感器系统的灵敏度到4V/g，在所述检测电压V_S的最大电压值不变的情况下，所述MEMS传感器10检测的加速度范围降为±1g。此时，所述MEMS传感器10在1g或者-1g位置时不能正常工作，因为在1g位置时不能检测大于1g的加速度信号，在-1g位置时不能检测小于-1g的加速度信号。由此可知，图1所示的MEMS传感器系统检测加速度范围与高灵敏度存在矛盾。在地震勘探等应用中，需要高精度与高灵敏度的MEMS传感器系统，图1所示的MEMS传感器系统的灵敏度无法满足要求。

发明内容

本发明所要解决的是现有的MEMS传感器系统灵敏度低的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种MEMS传感器检测装置，包括：

读出电路，用于对MEMS传感器的输出信号进行模拟信号处理，以产生检测电压；

抵消电压产生电路，用于根据所述检测电压产生重力抵消电压，所述重力抵消电压和重力加速度成正比例关系；

选择电路，用于在反馈阶段选择所述检测电压输出，在重力抵消阶段选择所述重力抵消电压输出，其中，在一个检测周期内，所述反馈阶段位于所述重力抵消阶段之后；

反馈电路，用于根据所述选择电路的输出电压产生反馈电压，所述反馈电压和所述选择电路的输出电压成正比例关系。

可选的，所述抵消电压产生电路包括：

第一低通滤波器，用于对所述检测电压进行低通滤波处理，以产生所述重力抵消电压。

可选的，所述抵消电压产生电路包括：

第二低通滤波器，用于对所述检测电压进行低通滤波处理，以产生滤波电压；

脉冲发生器，用于在所述滤波电压超出预设正电压时产生正脉冲，在所述滤波电压超出预设负电压时产生负脉冲；

计数器，用于对所述脉冲发生器在预设时间间隔内产生的脉冲进行计数，在接收到所述正脉冲时进行计数加1，在接收到所述负脉冲时进行计数减1；

寄存器，用于存储所述计数器的计数值；

第一数模转换器，用于对所述寄存器存储的计数值进行数模转换处理，以产生所述重力抵消电压。

可选的，所述抵消电压产生电路包括：

第一模数转换器，用于对所述检测电压进行模数转换，以产生所述检测电压对应的数字信号；

第一处理电路，用于根据所述检测电压对应的数字信号产生所述重力抵消电压对应的数字信号；

第二数模转换器，用于对所述重力抵消电压对应的数字信号进行数模转换处理，以产生所述重力抵消电压。

可选的，所述重力抵消电压对应的数字信号为在预设时间间隔内所述检测电压对应的数字信号的平均值。

可选的，所述选择电路包括第一开关和第二开关；

所述第一开关的一端用于接收所述检测电压，所述第二开关的一端用于接收所述重力抵消电压，所述第一开关的另一端连接所述第二开关的另一端并作为所述选择电路的输出端。

可选的，所述MEMS传感器检测装置还包括：

检测电压输出端，用于输出所述检测电压；

抵消电压输出端，用于输出所述重力抵消电压。

可选的，所述MEMS传感器检测装置还包括：

第二模数转换器，用于对所述检测电压进行模数转换，以产生所述检测电压对应的数字信号；

第三模数转换器，用于对所述重力抵消电压进行模数转换，以产生所述重力抵消电压对应的数字信号；

第二处理电路，用于对所述检测电压对应的数字信号和所述重力抵消电压对应的数字信号进行数字信号处理。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种MEMS传感器系统，包括MEMS传感器，还包括上述MEMS传感器检测装置。

可选的，所述MEMS传感器为三电极MEMS传感器；

在一个检测周期内，所述重力抵消阶段的结束时刻为所述反馈阶段的开始时刻，所述反馈阶段的结束时刻为读出阶段的开始时刻。

可选的，所述MEMS传感器为五电极MEMS传感器；

在一个检测周期内，所述重力抵消阶段的开始时刻读出阶段的开始时刻，所述重力抵消阶段的结束时刻为所述反馈阶段的开始时刻，所述反馈阶段的结束时刻为所述读出阶段的结束时刻。

可选的，所述重力抵消阶段的时长大于所述反馈阶段的时长。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的MEMS传感器检测装置以及MEMS传感器系统，通过采用分时复用和重力抵消技术，在所述MEMS传感器检测装置中设置抵消电压产生电路，由所述抵消电压产生电路根据检测电压产生与重力加速度成正比例关系的重力抵消电压，从而抵消重力加速度的影响，使得所述MEMS传感器系统能够实现高灵敏度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是现有的MEMS传感器系统的电路结构示意图；

图2是现有的三电极MEMS传感器系统的工作时序图；

图3是三电极MEMS传感器工作在+1g、0g以及-1g位置的示意图；

图4是本发明一种实施例的MEMS传感器系统的电路结构示意图；

图5是本发明一种实施例的抵消电压产生电路的电路结构示意图；

图6是本发明另一种实施例的抵消电压产生电路的电路结构示意图；

图7是本发明实施例的脉冲发生器产生正负脉冲的示意图；

图8是本发明再一种实施例的抵消电压产生电路的电路结构示意图；

图9是本发明一种实施例的检测电压和重力抵消电压的关系示意图；

图10是本发明实施例的三电极MEMS传感器系统的工作时序图；

图11是本发明另一种实施例的MEMS传感器系统的电路结构示意图；

图12是本发明再一种实施例的MEMS传感器系统的电路结构示意图；

图13是五电极MEMS传感器的结构示意图；

图14是现有的五电极MEMS传感器系统的工作时序图；

图15是本发明实施例的五电极MEMS传感器系统的工作时序图。

具体实施方式

正如背景技术中所描述的，图1所示的MEMS传感器系统应用灵敏度无法满足要求。以所述MEMS传感器10为三电极MEMS传感器为例，图2是所述MEMS传感器系统的工作时序图，其中，φ_F为所述MEMS传感器系统工作在反馈阶段的时长，φ_S为所述MEMS传感器系统工作在读出阶段的时长，即在一个检测周期内，所述反馈阶段的结束时刻为所述读出阶段的开始时刻。图3是所述MEMS传感器10工作在+1g、0g以及-1g位置的示意图，所述MEMS传感器系统在读出电路最大输出电压限定下最大输入加速度为：

其中，A_max为最大输入加速度，φ_F为所述反馈阶段的时长，F_F为反馈静电力，m为所述MEMS传感器10中质量块的质量，k₁为与所述MEMS传感器10中电极参数和参考电压相关的比例系数，V_s为所述检测电压。若所述MEMS传感器10在0g、1g以及-1g位置均可以工作，则必须满足|A_max|＞1g。若所述MEMS传感器10的量程为±0.5g，则必须满足|A_max|≥1.5g。假设所述检测电压V_s满量程为3V，当|A_max|＝1.5g时，则灵敏度为2V/g。基于此，本发明提供一种MEMS传感器系统以及MEMS传感器检测装置，采用分时复用技术进行重力抵消，能够有效提高MEMS传感器系统的灵敏度。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

本实施例提供一种MEMS传感器系统以及MEMS传感器检测装置，图4是所述MEMS传感器系统的电路结构示意图。所述MEMS传感器系统包括MEMS传感器40以及所述MEMS传感器检测装置，所述MEMS传感器检测装置包括读出电路41、反馈电路42、抵消电压产生电43以及选择电路44。

具体地，所述MEMS传感器40为电容式MEMS加速度传感器，用于将加速度转换为微弱的电信号输出。在电容式MEMS加速度传感器中，可运动的质量块构成了可变电容的一个可动电极。当质量块受加速度作用而产生位移时，由固定电极和可动电极之间构成的电容量发生变化，将这种变化量用所述检测装置检测出来就可测量加速度的大小。

所述读出电路41用于对所述MEMS传感器40的输出信号进行模拟信号处理，以产生检测电压V_S。所述读出电路41通常包括前置放大器和信号调理电路，所述前置放大器由运算放大器以及一些其他元器件构成，用于对所述MEMS传感器40的输出信号进行放大处理，其可以为相关双采样电路或者自动归零电路等；所述信号调理电路也由运算放大器以及一些其他元器件构成，用于对所述前置放大器的输出信号进行滤波等处理，其可以为比例微分器、积分器或者比例微分积分器等。

所述抵消电压产生电路43用于根据所述检测电压V_S产生重力抵消电压V_D，所述重力抵消电压V_D和重力加速度成正比例关系。

图5是所述抵消电压产生电路43的一种电路结构示意图，所述抵消电压产生电路43包括第一低通滤波器51。所述第一低通滤波器51用于对所述检测电压V_S进行低通滤波处理，以产生所述重力抵消电压V_D，即所述第一低通滤波器51的输入端用于接收所述检测电压V_S，所述第一低通滤波器51的输出端用于输出所述重力抵消电压V_D。

图6是所述抵消电压产生电路43的另一种电路结构示意图，所述抵消电压产生电路43包括第二低通滤波器61、脉冲发生器62、计数器63、寄存器64以及第一数模转换器65。

具体地，所述第二低通滤波器61用于对所述检测电压V_S进行低通滤波处理，以产生滤波电压。所述脉冲发生器62用于在所述滤波电压超出预设正电压时产生正脉冲，在所述滤波电压超出预设负电压时产生负脉冲。图7是所述脉冲发生器62产生正负脉冲的示意图，其中，V_SL为所述滤波电压，Vth1为所述预设正电压，Vth2为所述预设负电压。所述计数器63用于对所述脉冲发生器62在预设时间间隔内产生的脉冲进行计数，在接收到所述正脉冲时进行计数加1，在接收到所述负脉冲时进行计数减1。所述寄存器64用于存储所述计数器63的计数值，所述第一数模转换器65用于对所述寄存器64存储的计数值进行数模转换处理，以产生所述重力抵消电压V_D。

所述预设正电压的电压值可以根据所述MEMS传感器40工作在1g位置时输出的电压值进行确定：所述MEMS传感器40工作在1g位置时输出的电压值越大，所述预设正电压的电压值设置得越大，反之所述预设正电压的电压值设置得越小。相应地，所述预设负电压的电压值可以根据所述MEMS传感器40工作在-1g位置时输出的电压值进行确定：所述MEMS传感器40工作在-1g位置时输出的电压值越大，所述预设负电压的电压值设置得越大，反之所述预设负电压的电压值设置得越小。进一步，所述预设正电压的电压值和所述预设负电压的电压值还可以根据所述重力抵消阶段的时长进行调整：所述重力抵消阶段的时长设置得越短，所述预设正电压的电压值和所述预设负电压的电压值可以设置得越大，反之所述预设正电压的电压值和所述预设负电压的电压值可以设置得越小。所述预设时间间隔的长短由被检测物理量的频率特征决定：被检测物理量的频率越高，所述预设时间间隔可以设置得越短，反之所述预设时间间隔可以设置得越长，常用的时间间隔有0.5s、1s、2s等。

图8是所述抵消电压产生电路43的再一种电路结构示意图，所述抵消电压产生电路43包括第一模数转换器81、第一处理电路82以及第二数模转换器83。

具体地，所述第一模数转换器81用于对所述检测电压V_S进行模数转换，以产生所述检测电压V_S对应的数字信号。所述第一处理电路82用于根据所述检测电压V_S对应的数字信号产生所述重力抵消电压V_D对应的数字信号，在本发明实施例中，所述重力抵消电压V_D对应的数字信号为在预设时间间隔内所述检测电压V_S对应的数字信号的平均值，即，其中，V_DD为所述重力抵消电压V_D对应的数字信号，N为在所述预设时间间隔内采集的所述检测电压V_S的数量，V_SDi为第i个检测电压V_S对应的数字信号。所述预设时间间隔的长短可根据实际需求进行设置，只要保证在所述预设时间间隔内采集的所述检测电压V_S的数量为两个以上即可。所述第二数模转换器83用于对所述重力抵消电压V_D对应的数字信号进行数模转换处理，以产生所述重力抵消电压V_D，图9所述检测电压V_S和所述重力抵消电压V_D的关系示意图。所述第一处理电路82可以为DSP、FPGA或者MCU等处理电路，需要说明的是，所述第一处理电路82并不限于计算所述预设时间间隔内所述检测电压V_S对应的数字信号的平均值，将所述预设时间间隔内所述检测电压V_S对应的数字信号的平均值作为所述重力抵消电压V_D对应的数字信号，所述第一处理电路82还可以进行其他计算，只要根据所述检测电压V_S产生的所述重力抵消电压V_D和重力加速度成正比例关系即可。所述预设时间间隔的长短由被检测物理量的频率特征决定：被检测物理量的频率越高，所述预设时间间隔可以设置得越短，反之所述预设时间间隔可以设置得越长，常用的时间间隔有0.5s、1s、2s等。

所述选择电路44用于在反馈阶段选择所述检测电压V_S输出，在重力抵消阶段选择所述重力抵消电压V_D输出，其中，在一个检测周期内，所述反馈阶段位于所述重力抵消阶段之后。在本发明实施例中，所述选择电路44包括第一开S41和第二开关S42。所述第一开关S41的一端用于接收所述检测电压V_S，所述第二开关S42的一端用于接收所述重力抵消电压V_D，所述第一开关S41的另一端连接所述第二开关S42的另一端并作为所述选择电路44的输出端。进一步，所述第一开关S41的导通和断开由所述第一开关S41的控制端接收的控制信号确定，所述第二开关S42的导通和断开由所述第二开关S42的控制端接收的控制信号确定。在所述反馈阶段，所述第一开S41导通，所述第二开关S42断开，所述选择电路44输出所述检测电压V_S；在所述重力抵消阶段阶段，所述第一开S41断开，所述第二开关S42导通，所述选择电路44输出重力抵消电压V_D。所述第一开关S41和所述第二开关S42可以为PMOS晶体管、NMOS晶体管或者CMOS开关电路等，本发明实施例对此不进行限定。

所述反馈电路42用于根据所述选择电路44的输出电压产生反馈电压V_F，所述反馈电压V_F和所述选择电路44的输出电压成正比例关系。通过产生所述反馈电压V_F，可以向所述MEMS传感器40提供反馈静电力，所述反馈静电力使得所述MEMS传感器40中的检测质量块始终保持在平衡位置处进行小范围波动。所述反馈电路42的具体电路结构并非本发明实施例的改进点，其可以采用现有的反馈电路结构，本发明实施例对此不再赘述。

以所述MEMS传感器40为三电极MEMS传感器为例，图10是三电极MEMS传感器系统的工作时序图，其中，φ_F为所述MEMS传感器系统工作在反馈阶段的时长，φ_S为所述MEMS传感器系统工作在读出阶段的时长，φ_D为所述MEMS传感器系统工作在重力抵消阶段的时长。在一个检测周期内，所述重力抵消阶段的结束时刻为所述反馈阶段的开始时刻，所述反馈阶段的结束时刻为读出阶段的开始时刻。

本发明实施例提供的MEMS传感器检测装置以及MEMS传感器系统，采用重力抵消技术后，在读出电路最大输出电压限制下，系统最大输入加速度为：

其中，A'_max为最大输入加速度，φ_F为所述反馈阶段的时长，φ_D为所述重力抵消阶段的时长，m为所述MEMS传感器40中质量块的质量，k₁和k₂为与所述MEMS传感器10中电极参数和参考电压相关的比例系数。若所述MEMS传感器40的量程为±0.5g，则|A'_max|≥1.5g。假设所述检测电压V_s满量程为3V，当|A'_max|＝1.5g时，由于采用了重力抵消技术，输出满量程电压对应系统允许输入的最大加速度为0.5g，此时灵敏度为6V/g，灵敏度相比于现有技术提高了3倍。因此，本发明实施例采用分时复用技术进行重力抵消，能够有效提高所述MEMS传感器系统的灵敏度。

参考图11，在一种可选实现方式中，所述MEMS传感器检测装置除设置检测电压输出端1101外，还可以包括抵消电压输出端1102。所述检测电压输出端1101用于输出所述检测电压V_S，所述抵消电压输出端1102用于输出所述重力抵消电压V_D。此时，系统输出的加速度信号A_DC+AC如下所示：

A_DC+AC代表加速度计工作在任意位置时系统输出的加速度直流分量和交流分量，测量加速度信号的同时能够提供倾角位置等信息。通过设置所述抵消电压输出端1102，可以多提供一个观测量，近似于所述检测电压V_S在一定时间内统计意义的平均值输出，可以对所述检测电压V_S进行校正。

参考图12，在一种可选实现方式中，所述的MEMS传感器检测装置还可以包括第二模数转换器1201、第三模数转换器1202以及第二处理电路1203。所述第二模数转换器1201用于对所述检测电压V_S进行模数转换，以产生所述检测电压V_S对应的数字信号；所述第三模数转换器1202用于对所述重力抵消电压V_D进行模数转换，以产生所述重力抵消电压V_D对应的数字信号；所述第二处理电路1203用于对所述检测电压V_S对应的数字信号和所述重力抵消电压V_D对应的数字信号进行数字信号处理，输出数字信号Dout。进一步，所述第二处理电路1203可以为DSP、FPGA或者MCU等处理电路。

通过采用模数转换器将所述检测电压V_S和重力抵消电压V_D转换为数字信号，并对所述检测电压V_S对应的数字信号和重力抵消电压V_D对应的数字信号进行处理，以输出所述数字信号Dout，可以增强系统数字电路的适配性，拓展MEMS传感器使用范围。同时，能够运用更多的数字信号处理技术进一步提高系统精度、噪声、温漂以及零漂等性能，达到大幅度提高系统性能的目的。所述第二处理电路1203具体进行何种处理根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不进行限定。

对于五电极实时反馈的MEMS传感器，若在小于1g的任意角度都可以正常工作，本发明实施例提供的重力抵消技术同样适用。图13是五电极MEMS传感器的结构示意图，图14是现有的五电极MEMS传感器系统的工作时序图，其中，φ_F为五电极MEMS传感器系统工作在反馈阶段的时长，φ_S为五电极MEMS传感器系统工作在读出阶段的时长。由于五电极MEMS传感器的检测电极和反馈电极是相互独立的，因而五电极MEMS传感器的反馈阶段和读出阶段是重合的。本发明实施例提供的重力抵消技术应用在五电极MEMS传感器中，是在反馈时序中引入分时技术，实现重力抵消。

以所述MEMS传感器40为五电极MEMS传感器为例，图15是本发明实施例的五电极MEMS传感器系统的工作时序图，其中，φ_F为所述MEMS传感器系统工作在反馈阶段的时长，φ_S为所述MEMS传感器系统工作在读出阶段的时长，φ_D为所述MEMS传感器系统工作在重力抵消阶段的时长。在一个检测周期内，所述重力抵消阶段的开始时刻读出阶段的开始时刻，所述重力抵消阶段的结束时刻为所述反馈阶段的开始时刻，所述反馈阶段的结束时刻为所述读出阶段的结束时刻。

不管本发明实施例提供的重力抵消技术，是应用在三电极实时反馈的MEMS传感器，还是应用在五电极实时反馈的MEMS传感器，通常，所述重力抵消阶段的时长φ_D大于所述反馈阶段的时长φ_F，更进一步，所述重力抵消阶段的时长φ_D可以设置为所述反馈阶段的时长φ_F的两倍以上。但是，本发明实施例并不限定所述重力抵消阶段的时长φ_D的具体值，只要在所述重力抵消阶段的时长φ_D内实现重力抵消即可。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。