具体实施方式

图4示出了根据本公开内容的实施方式的传感器系统(400)。传感器系统(400)包括微机电系统(MEMS)传感器(410)，该微机电系统(MEMS)传感器(410)连接至包括ADC(420)的读出集成电路(401)。MEMS传感器(410)包括分别由字母S、B和G表示的感测端子、基部端子和保护端子。MEMS传感器(410)的随时间变化的电容由连接在端子(S、B)两端的可变电容器(C_S)、端子(B、G)两端的寄生电容器(C_BG)和端子(S、G)两端的寄生电容器(C_SG)表示。根据本公开内容的实施方式，MEMS传感器(410)是其中压力调制可变电容器(C_S)的电容式压力传感器。如稍后将详细描述的，然后，由ADC(420)测量电容器(C_S)的电容变化并且因此生成对应的系统输出(430)。

参照图4至图5，并且根据本公开内容的实施方式，ADC(420)包括如图5所示的MASH调制器(500)。根据本公开内容的实施方式，MASH调制器(500)可以是包括积分器(510、511、512)和比较器(520、521)的2-1MASH调制器。同样如图5所示，字母(-a1、-a2、-a3、b1、b2和b3)表示它们对应路径的增益。积分器(510)包括积分器输出节点(530)。根据本公开内容的实施方式，图5的MASH调制器(500)以及因此图4的ADC(420)被配置成接收输入电压(Vin)并且生成两个ADC输出(d₁、d₀)。根据本公开内容的另外的实施方式，两个比较器的输出(d₁、d₀)可以是图4的系统输出(430)的组成部分。为了完成该系统，MASH调制器的输出通常后接有抽取滤波器。在大多数实现方式中，1位数据流(d₁、d₀)将通过通常在系统的数字部分实现的抽取滤波器被进一步处理。抽取滤波器的输出可以被认为是ADC(430)的最终输出。在其他实施方式中，d₀可以被忽略并且仅输出d₁被数字部分中的抽取滤波器处理。在这样的情况下，并且如图5B中所示，调制器被重新配置成是二阶∑-Δ调制器(501)，而不是2-1MASH调制器。同样如图5B中所示，二阶∑-Δ调制器(501)的输出d₁用作抽取滤波器(502)的输入。在处理输入(d₁)之后，抽取滤波器(502)生成输出(Vout)。根据本公开内容的实施方式，抽取滤波器输出(Vout)可以是24位输出。因此，由于抽取处理，输出数据速率较慢。根据本公开内容的另外的实施方式，抽取滤波器(502)的24位输出可以为32Hz、64Hz或128Hz的速率。

图6示出了包括∑-Δ调制器的模拟前端(641)的电子电路(600)，该∑-Δ调制器的模拟前端(641)连接至MEMS传感器(642)。模拟前端(641)包括积分器(610)。根据本公开内容的实施方式，积分器(610)是图5的积分器(510)的示例性实现方式。电容框(642)包括连接至感测端子、基部端子和保护端子(S、B、G)的电容器(C_S、C_BG、C_SG)，感测端子、基部端子和保护端子(S、B、G)与如图4所示它们各自的对应物类似。换言之，电容器(C_S、C_BG、C_SG)和端子(S、B、G)可以是MEMS传感器(410)的组成部分。在该示例中，使用具有特定配置(B、S、G)的MEMS传感器。然而，可以使用其他传感器。例如，传感器可以是MEMS或其他类型，传感器可以是压力式或温度式或加速度式，并且传感器可以被不同地配置。模拟前端(641)还包括偏移电容器(C_os)、反馈电容器(C_dac)和多个开关(S1、S1’……S4、S4’、S5、S6、S7)。根据本公开内容的实施方式，开关(S1、S1’……S4、S4’、S5、S6、S7)可以包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关。这样的开关的状态由具有各种相位的时钟控制，每个相位包括逻辑1和逻辑零的脉冲流。这样的时钟用于管理在某些电容器对输入电压进行采样以及它们如何将存储的电荷转移至积分电容器(如稍后将详细描述的)时的时序。参照图6，采用以下约定来示出每个开关和对应的控制时钟：对于每个开关，控制开关的时钟的名称被设置为在该开关下面。例如，在下面示出了术语“Ф₁”的开关由时钟(Ф₁)控制，使得当时钟(Ф₁)为逻辑1时，开关闭合，而当时钟(Ф₁)为逻辑零时，该开关断开。

进一步参照图6，各个时钟由各自具有索引的希腊字母(Ф)表示。所述索引中使用的术语“dd”表示延迟。作为示例，开关(S1)由作为时钟(Ф₁)的延迟版本的时钟(Ф_1dd)控制。此外，时钟的命名中使用的横杠表示反转。通过示例的方式，时钟是时钟(Ф_1dd)的反相版本。换言之，当时钟(Ф_1dd)处于逻辑一时，时钟处于逻辑零，反之亦然，当时钟(Ф_1dd)处于逻辑零时，时钟处于逻辑一。开关(S3、S3’、S4、S4’)中的每一个都由时钟控制，该时钟是通过将两个脉冲流相乘而生成。作为示例，如图6所示，并参照图5，开关(S3)由时钟(Ф_1ddd₁)控制，其中，术语“Ф_1ddd₁”是表示时钟(Ф₁dd)的脉冲流和表示图5的输出比较器(d₁)的脉冲流的乘积。继续参照图6，积分器(610)包括开关(S5和S6)、积分电容器(C_int)和运算放大器(OA)(660)，该运算放大器(OA)(660)具有第一输入节点(670)和第二输入节点(671)。根据本公开内容的实施方式，第二输入节点(671)可以连接至参考电压(V_refp)。根据本公开内容的另外的实施方式，如图6所示，参考电压(V_refn)可以为地。根据本公开内容的另外的实施方式，如图6所示，参考电压(V_refn)可以地。

参照图4至图6，模拟前端(641)是图5的电子框(541)的示例性实现方式，并且它们本质上都表示图4的ADC(420)的模拟前端；这样的模拟前端接收作为感测要测量的压力的结果由图4和图6的感测电容器(C_s)生成的模拟信号。此外，图6的连接点(630)是图5的积分器输出节点(530)的对应物，两者示出图6的积分器(610)(或图5的积分器(510))与图5的调制器(500)的其余部分之间的互连。

图6的电子电路(600)本质上是其中在充电阶段期间对输入电压进行采样并且在充电阶段之后的积分阶段期间对所采样的数据进行积分的开关电容器电路。根据本公开内容的实施方式，电子电路(600)被配置成接收参考电压(V_refp、V_refn)。根据本公开内容的另外的实施方式，参考电压(V_refp、V_refn)分别为正电压和负电压。还可以设想根据本公开内容的实施方式，其中，参考电压(V_refn)是地。

更具体地，图6的电子电路(600)可以被认为是感测电容器(C_s)相对于参考电容(C_dac)的比例采样，其中，相同的参考电压(V_refp和V_refn)用于在采样阶段提供电荷。所捕获的电荷的量取决于感测电容器(Cs)的值，该值进而取决于压力。通过将∑-Δ调制器的模拟前端实现为电容器的比例比较，ADC的性能相对于参考电压V_refp和V_refn的缺陷变得更加稳健，达到一阶。偏移电容(C_OS)通常被配置成相对于感测电容器(C_s)异相充电或放电。根据本公开内容的实施方式，偏移电容(C_OS)用于将感测电容(C_S)的变化居中(或对准)至ADC的全量程的中心，该全量程由反馈电容(C_dac)设置。在典型的实施方式中，可用的ADC全量程可以是如由反馈(或参考)电容(C_dac)所隐含的真实全量程的一半。

图7示出了控制电子电路(600)的开关的状态的各种时钟的时序图。在不失一般性的情况下，出于描述的目的，并且在下文中，假设参考(V_refn)为地。在采样或充电阶段期间，时钟(Ф_1dd)处于一并且因此，开关(S1)闭合并且感测电容器(C_s)在一侧连接至(V_refp)并且在另一侧连接至运算放大器的参考节点(670)。因此，电容器(Cs)被充电至Q_S＝Cs x(V_refp-V_refn)。在该阶段，还捕获输入相关的运算放大器噪声(闪烁噪声)和偏移。这通过在阶段Ф₁中闭合S7来实现。在相同的采样时钟(Ф_1dd)阶段，以类似的方式但以相反的极性捕获C_os上的电荷，因为C_os连接至V_refn和V_ref。这实现了在阶段2的结束处正确地实现的全量程偏移。

在积分阶段，时钟(Ф_1dd)处于零，并且因此，开关(S1)断开，而开关(S2)闭合。这迫使存储在感测电容器(C_s)中的电荷向OA(660)的第一输入节点(670)移动并且迫使存储在感测电容器(C_s)中的电荷转移至积分电容器(C_int)。为使得该电荷转移能够完成，在该时钟阶段，开关S5和开关S6闭合。从图7中可以看出，与感测电容器(C_s)相比，电容器(C_os)以相反的顺序在V_refn(例如，地)与参考电压(V_refp)之间切换。换言之，并且在充电阶段期间，开关(S2)闭合，并且因此偏置电容器底板被充电至地。在积分阶段期间，开关(S1、S2)断开，并且基于电荷守恒，等效电荷为(C_s-C_os)。(V_refp–V_refn)因此转移至积分电容器(C_int)。

关于反馈电容器(C_dac)，以与关于感测电容器(C_s)或偏移电容器(C_os)的描述类似地执行电荷的存储和转移。然而，控制与反馈电容器(C_dac)相关联的开关(S3、S3’、S4、S4’)的时钟是不同的，并且取决于比较器输出(d1)。

图7A至图7C示出了与图6的电子电路(600)相关联的时序图。图7A示出了高级时序图。图7B至图7C分别示出了在图6的时序图的区域(71、72)上放大时更详细的时序图。参照图6和图7A，在充电阶段和积分阶段两者期间，取决于时钟(Ф₁，Ф₂)的状态和输出DAC(d₁)，反馈电容器(C_dac)可以连接至第一参考电压(V_refp)或者第二参考电压(V_refn)。被积分的电荷相关的数据(d₁)提供量化的负反馈，这确保比较器的输出位流准确地反映感测电容(C_S)的平均值。

根据本公开内容的实施方式，偏移电容器(C_os)的电容值可以被选择为感测电容器(C_s)变化范围的约一半，从而将这样的变化居中。

进一步参照图7A至图7B，并且与先前关于图2A至图2B描述的类似，采用自动归零技术来使诸如OA偏移或闪烁噪声的损害以及可能存在于OA(660)的输入侧的任何其他低频损害的负面影响最小化。这是通过根据图7A至图7C所示的时序图对开关(S7)进行适当控制来执行。在充电阶段开始之前闭合开关(S7)，并且因此，对存在于OA(660)的输入处的低频噪声进行采样。这之后是充电阶段的开始，并且然后是积分阶段。返回参照图6，在积分阶段期间，在OA(660)的第一输入节点和第二输入节点(670、671)处保持基本上相等的电压，从而补偿在OA(660)的第一输入(670)处的低频寄生的负面影响。与关于图2A至图2B描述的类似，实际上，采样噪声除以OA的开环增益并且因此减少至可忽略的量。该机制还将近似地抵消任何缓慢变化的寄生电容，例如连接至节点670的C_P1。由于围绕敏感MEMS结构的环境中的各种障碍，也可能出现这样的寄生电容。所描述的自动归零技术本质上是具有滤波器传递函数例如(1-(z^-1))的高通滤波机制，其过滤各种损害，例如缓慢变化的电容(C_P1)或DC偏移和运算放大器(660)的低频率噪声。根据本公开内容的实施方式，可以使用差分拓扑/电路中的斩波技术替代自动归零来减少如上面所描述的损害的影响。

如先前所提及的，与压力传感器相关的损害可以是随时间变化的。这样的损害的来源的示例是在测量期间偶尔位于压力传感器上的水滴。在下文中，描述了关于水滴引起的损害以及用于减轻这样的损害的负面影响的方法和装置的更多细节。

图8A示出了包括本体(890)、MEMS传感器(810)和防水凝胶(880)的压力传感器(800)的截面。防水凝胶(880)使得其将来自本体(890)外部的气压如实地传送至MEMS(810)传感器，同时保护MEMS传感器和ASIC(820)免受水或压力传感器可能暴露于其中的其他外部液体的损害。MEMS传感器(810)通过第一键合线(811)与集成电路(820)连接。同样如图8所示，集成电路(820)还经由键合线(812)与基板(881)连接。待测量压力通过防水凝胶(880)转移至集成电路(820)。根据本公开内容的实施方式，键合线(811、812)可以暴露于防水凝胶(880)。根据本公开内容的另外的实施方式，集成电路(820)可以包括图4的ADC(420)。还可以设想根据本公开内容的实施方式，其中，压力传感器(800)没有防水凝胶，但是使用向ASIC提供防水功能的其他方法。

进一步参照水滴情形，图8B示出了图8A的压力传感器(800)，其中在透明的凝胶(880)的顶部存在，水(或液体)滴(895)。水(或液体)的表面张力可以使水(或液体)如所示扩展。然而，水滴也可能仅部分地存在于凝胶的表面。水(或液体)滴(895)与空气相比具有明显不同的电介质。这影响了由调制器的非常灵敏的模拟前端感测到的寄生电容的值。可以将在凝胶和MEMS的附近存在的水/液体建模为如图6中所示的各种寄生电容/损害-C_P1、C_P2和C_P3。这种寄生电容的典型值通常与MEMS感测电容C_S随压力的变化相当，从而导致大的压力偏移，即压力测量中的误差。应该提到的是，术语水或液体不只局限于水。它可以是盐水或其他各种液体或残留物。由于水出现并且然后蒸发时的随时间变化的特性，因此使用水作为示例。

参照图6的电容框(642)，由于水的存在而导致的所描述的损害可以由第一寄生电容器、第二寄生电容器和第三寄生电容器(C_p1、C_p2、C_p3)表示。根据本公开内容的实施方式，与第二寄生电容器和第三寄生电容器(C_p2、C_p3)的负面影响相比，第一寄生电容器(C_p1)可能对传感器性能具有实质上更大的负面影响。寄生电容(C_p1)的变化值破坏了向C_INT注入的电荷并且在正在被测量的C_S的值中引入了大的误差，从而影响了压力测量。另一方面，寄生电容C_p2位于ASIC地与底板接地之间，并且不影响来自集成至C_int的C_S的信号电荷。寄生电容(C_p3)位于参考缓冲器与地之间。该电容在每个时钟周期被充电和放电，但是不影响来自集成至C_int的C_S的信号电荷。

参照图6，并且根据本公开内容的实施方式，与基于其ADC(420)的各种电路发挥作用的各种时序相比，第一寄生电容器(C_pl)具有表示低频损害的随时间变化的电容。

参照图5至图6，并且通过示例而非限制的方式，与图5的∑-Δ调制器(500)或图6的第一电子电路(600)相关联的采样频率可以是数百KHz，这等于微秒量级的采样周期。继续相同的示例，寄生电容器的变化可能在每毫秒几皮法至10pF变化的范围内。在C_S的整个压力工作范围内这可能与C_S本身的变化一样大。

借助于具有显著大于由于水滴引起的寄生电容器(C_pl)的变化速率的采样频率，如先前关于图6的模拟前端(641)所说明的自动归零功能可以以与消除其他低频噪声/损害例如闪烁噪声或OA偏移相同的方式对抗和克服水滴引起的损害。根据本公开内容的教导，由于水滴的存在而产生的寄生电容可以减少几千个量级的因数。

图9示出了根据本公开内容的实施方式的曲线图(901、902)。曲线图(902)表示根据时间的图6的寄生电容器(C_p1)的变化。曲线图(901)示出了根据时间的图4的ADC(420)的系统输出(430)的变化。如图9所示，处于第一电压(V1)的传感器系统输出(430)对从零变为Cp1的寄生电容的突然变化作出反应。系统输出(430)首先增加至峰值电压(Vp)，然后回落至基本上接近第一电压(V1)的第二电压(V2)，小的差异是由于二次效应造成的。此处，V1、V2和Vp被称为电压，但它们只是在ADC输出(430)处与被测量的C_S的电容直接相关的等效的数字代码，C_S的电容与被感测的压力成比例。参照图4、图6和图8A至图8B，本领域技术人员将理解，当系统输出(430)稳定时，水滴仍然存在并且粘在凝胶上。换言之，电荷通过水滴从OA(660)的第一输入节点(670)被不断地移除。然而，借助于实施根据本公开内容的教导的自动归零机制，通过向输入节点(670)坚持注入电荷以维持该节点处的电压等于OA(660)的另一输入(其为地)处的电压来对抗所描述的电荷移除。这是减轻与寄生电容相关的水滴引起的损害的方式。在没有这种减轻的情况下，电压将从V1变化至可以与1000倍–7000倍一样大的较大的值VP_NEW，并且电压将保持在该水平，直到水滴(或液体)消散为止。参照图9，根据本公开内容的教导，可以基于如由曲线图(901)示出的ADC输出幅度与设定的期望幅度阈值的比较来检测压力传感器上存在或不存在水滴。

关于上面描述的水滴问题，并且根据本公开内容的教导，如由图10的图(1000)所表示的，水滴的消散是非常缓慢的现象。返回参照图8A，图(1000)描绘了示出根据时间的寄生电容器(C_p1)的电容的变化的曲线图。从左至右示出了图8B的压力传感器(800)的截面，图示出位于图8B的防水凝胶(880)上的水滴(890)的不同状态。两侧箭头(1001b、1002b、1003b、1004b)用于显示所示截面中的每一个与相应的曲线图部分(1001a、1002a、1003a、1004a)的对应关系。从左至右，这样的曲线图部分表示以下情况：1)在时刻T＝0处，水滴位于压力传感器凝胶上，2)水量减少，3)水滴与透明凝胶的接触减少，以及4)水从传感器本体消失或分离。如先前所提及的，并且如从图10的图(1000)中可以看出，与水滴引起的寄生电容增加至其最大值的速率相比，水的完全消散以慢得多的速率发生。因此，鉴于先前所描述的，自动归零机制减轻了对应水滴的生命周期期间所产生的寄生电容。

在使用压力传感器的应用中的水滴引起的寄生电容仅是用于描述本公开内容的教导的一些方面的示例。本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本公开内容的教导类似地应用于除了压力传感器以外的传感器并且应用于由于除了水滴以外的来源引起的不同的随时间变化的损害。

如在本公开内容中使用的，术语“MOSFET”意指具有绝缘栅极并且包括金属或金属类、绝缘体和半导体结构的任何场效应晶体管(FET)。术语“金属”或“金属类”包括至少一种导电材料(例如铝、铜或其他金属，或高度掺杂的多晶硅、石墨烯或其他电导体)，“绝缘体”包括至少一种绝缘材料(例如氧化硅或其他介电材料)，并且“半导体”包括至少一种半导体材料。

如本领域的普通技术人员应当容易明白的，可以实施本发明的各种实施方式以满足各种规格。除非以上另有说明，否则对合适的部件值的选择是设计选择的问题，并且本发明的各种实施方式可以以任何合适的IC技术(包括但不限于MOSFET结构)或者以混合或分立电路的形式来实现。可以使用任何合适的基板和工艺包括但不限于标准体硅、绝缘体上硅(SOI)和蓝宝石上硅(SOS)来制造集成电路实施方式。除非以上另有说明，否则本发明可以以其他晶体管技术例如双极、GaAs HBT、GaN HEMT、GaAs pHEMT和MESFET技术实现。然而，上述本发明构思对基于SOI的制造工艺(包括SOS)以及对具有类似特性的制造工艺特别有用。SOI或SOS上的CMOS工艺的制造使电路能够具有低功耗、由于FET堆叠而在操作期间承受高功率信号的能力、良好的线性度和高频操作(即，高达并超过50GHz的无线电频率)。单片IC实现是特别有用的，由于寄生电容通常可以通过精心设计而被保持得低(或保持处于最小，跨所有单元保持一致，从而允许对寄生电容进行补偿)。

可以根据特定规范和/或实现技术(例如，NMOS、PMOS或CMOS和增强模式或耗尽模式晶体管器件)调整电压水平和/或反转电压和/或逻辑信号极性。可以根据需要来调节部件电压、电流和功率处理能力，例如通过调整装置尺寸、串联地“堆叠”部件(特别是FET)以承受更大的电压以及/或者使用并联的多个部件来处理更大的电流。可以在不显著改变所公开的电路的功能的情况下添加附加电路部件以增强所公开的电路的能力和/或提供附加功能。

已经描述了本发明的许多实施方式。应当理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改。例如，上述步骤中的一些步骤可以是顺序无关的，并且因此可以以与所描述的顺序不同的顺序执行。此外，上述步骤中的一些步骤可以是可选的。可以以重复、串联或并行方式执行关于以上标识的方法描述的各种活动。

应当理解，前述描述旨在说明而不限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书的范围限定，并且其他实施方式也在权利要求书的范围内。(注意，权利要求元素的括号里的标记用于易于指代这样的元素，并且本身不指示特定的要求的排序或元件的枚举；此外，在不被视为开始互相冲突的标记序列的情况下，可以在从属权利要求中重复使用这样的标记以指代附加元素)。