Mems加速度計(jì)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種MEMS加速度計(jì)，所述MEMS加速度計(jì)包括加速度傳感器和加速度變化信號(hào)讀出電路，其中，所述加速度變化信號(hào)讀出電路包括模擬電路模塊和數(shù)字電路模塊，所述數(shù)字電路模塊包括數(shù)字低通濾波器。本發(fā)明所提供的MEMS加速度計(jì)在讀出電路中加入數(shù)字低通濾波器，能夠有效降低MEMS加速度計(jì)的噪聲，實(shí)現(xiàn)低噪聲加速度計(jì)。
【專利說(shuō)明】
MEMS加速度計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體而言涉及一種MEMS加速度計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)即微機(jī)電系統(tǒng)，其含義是采用微細(xì)加工技術(shù)將微傳感器、控制器、制動(dòng)器和電路集成一體的系統(tǒng)。MEMS加速度計(jì)是利用MEMS技術(shù)加工的一種加速度計(jì)。MEMS加速度計(jì)應(yīng)用廣泛，體積可以小到毫米級(jí)，采樣頻率可以從I赫茲到幾千赫茲。MEMS加速度計(jì)的感應(yīng)器件通常采用與微電子技術(shù)相近的工藝加工，因而便于與微電子電路集成，而其讀出電路通常采用集成電路設(shè)計(jì)，因而可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和噪聲優(yōu)化。
[0003]MEMS加速度計(jì)的噪聲主要包括電容式或電感式傳感器的機(jī)械噪聲和微電子制造的讀出電路的電子噪聲。這些噪聲可以通過(guò)讀出電路中的模擬電路采用合理的架構(gòu)和低噪聲的電路來(lái)降低。然而，由于很難得到比較精準(zhǔn)的傳感器模型和噪聲模型，當(dāng)對(duì)傳感器和讀出電路封裝成的MEMS加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)讀出電路中的模擬電路仿真得到的輸出結(jié)果和實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)有很大的差別，特別是在噪聲性能上。這時(shí)只能重新設(shè)計(jì)電路和重新生產(chǎn)芯片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種MEMS加速度計(jì)，所述MEMS加速度計(jì)包括加速度傳感器和加速度變化信號(hào)讀出電路。其中，所述加速度變化信號(hào)讀出電路包括模擬電路模塊和數(shù)字電路模塊，所述數(shù)字電路模塊包括數(shù)字低通濾波器。
[0005]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)字低通濾波器為系數(shù)可調(diào)的數(shù)字低通濾波器。
[0006]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)字低通濾波器的系數(shù)通過(guò)所述加速度變化信號(hào)讀出電路中的熔絲(EFUSE)電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0007]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)字低通濾波器的系數(shù)在所述MEMS加速度計(jì)的測(cè)試階段可調(diào)。
[0008]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)字低通濾波器的系數(shù)能夠在所述MEMS加速度計(jì)的測(cè)試階段被重新設(shè)計(jì)并寫入所述熔絲電路。
[0009]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)字低通濾波器的經(jīng)重新設(shè)計(jì)的系數(shù)在所述MEMS加速度計(jì)的應(yīng)用階段啟用。
[0010]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)字低通濾波器的系數(shù)基于在設(shè)定的傳感器模型和噪聲模型下的采樣數(shù)據(jù)。
[0011 ] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)字低通濾波器的系數(shù)寄存于濾波器系數(shù)寄存器中。
[0012]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)字低通濾波器為IIR數(shù)字低通濾波器。
[0013]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)字低通濾波器的階數(shù)為三階以下。
[0014]本發(fā)明所提供的MEMS加速度計(jì)在讀出電路中加入數(shù)字低通濾波器，能夠有效降低MEMS加速度計(jì)的噪聲，實(shí)現(xiàn)低噪聲加速度計(jì)。
【附圖說(shuō)明】
[0015]本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施例及其描述，用來(lái)解釋本發(fā)明的原理。
[0016]附圖中:
[0017]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MEMS加速度計(jì)的示例性架構(gòu)；
[0018]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MEMS加速度計(jì)的數(shù)字電路模塊中的信號(hào)流程；
[0019]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MEMS加速度計(jì)中的數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)流程；以及
[0020]圖4出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MEMS加速度計(jì)的測(cè)試和應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0021]在下文的描述中，給出了大量具體的細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本發(fā)明更為徹底的理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，本發(fā)明可以無(wú)需一個(gè)或多個(gè)這些細(xì)節(jié)而得以實(shí)施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對(duì)于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進(jìn)行描述。
[0022]應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明能夠以不同形式實(shí)施，而不應(yīng)當(dāng)解釋為局限于這里提出的實(shí)施例。相反地，提供這些實(shí)施例將使公開徹底和完全，并且將本發(fā)明的范圍完全地傳遞給本領(lǐng)域技術(shù)人員。
[0023]在此使用的術(shù)語(yǔ)的目的僅在于描述具體實(shí)施例并且不作為本發(fā)明的限制。在此使用時(shí)，單數(shù)形式的“一”、“一個(gè)”和“所述/該”也意圖包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文清楚指出另外的方式。還應(yīng)明白術(shù)語(yǔ)“組成”和/或“包括”，當(dāng)在該說(shuō)明書中使用時(shí)，確定所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個(gè)或更多其它的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或組的存在或添加。在此使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括相關(guān)所列項(xiàng)目的任何及所有組合。
[0024]為了徹底理解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳細(xì)的步驟以及詳細(xì)的結(jié)構(gòu)，以便闡釋本發(fā)明提出的技術(shù)方案。本發(fā)明的較佳實(shí)施例詳細(xì)描述如下，然而除了這些詳細(xì)描述夕卜，本發(fā)明還可以具有其他實(shí)施方式。
[0025]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MEMS加速度計(jì)100的示例性架構(gòu)。如圖1所示，MEMS加速度計(jì)100包括加速度傳感器101和加速度變化信號(hào)讀出電路102。例如，MEMS加速度計(jì)100為電容式MEMS加速度計(jì)。其中，加速度傳感器101將加速度的變化轉(zhuǎn)化成電容變化。加速度變化信號(hào)讀出電路102將電容的變化轉(zhuǎn)化成可以讀取的數(shù)字信號(hào)，以供后面電路做信號(hào)處理。加速度變化信號(hào)讀出電路102可以包括模擬電路模塊1021和數(shù)字電路模塊1022。
[0026]其中，模擬電路模塊1021可以包括復(fù)用器、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器和EFUSE電路。具體地，復(fù)用器可以選擇x、Y和Z軸中的一軸作為電容變化信號(hào)輸入；放大器將復(fù)用器選擇的電容變化信號(hào)放大濾波并進(jìn)行同步解調(diào)轉(zhuǎn)化為直流電壓；A/D轉(zhuǎn)換器將放大后的直流電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化后送給數(shù)字電路模塊1022進(jìn)行處理；EFUSE電路提供數(shù)字電路可修改的寄存器參數(shù)。
[0027]數(shù)字電路模塊1022示出為邏輯模塊logic，圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MEMS加速度計(jì)的數(shù)字電路模塊logic中的信號(hào)流程。如圖2所示，數(shù)字電路模塊1022中的信號(hào)流程可以包括模擬信號(hào)讀入、接口(例如interface (I2c，SPI))轉(zhuǎn)化、電源管理、寄存器編譯、先入先出(FIFO)讀寫、EFUSE控制和噪聲處理等。
[0028]如上所述，MEMS加速度計(jì)的噪聲主要包括電容式或電感式傳感器的機(jī)械噪聲和微電子制造的讀出電路的電子噪聲。MEMS加速度計(jì)的質(zhì)量在毫克級(jí)別，加速度的變化通過(guò)質(zhì)量塊的移動(dòng)轉(zhuǎn)化成質(zhì)量塊間電容的變化。加速度變化的時(shí)候空氣對(duì)質(zhì)量塊之間的遲滯效應(yīng)明顯，從而引起機(jī)械噪聲。MEMS加速度計(jì)可以通過(guò)加大質(zhì)量塊和抽真空減小機(jī)械噪聲。MEMS讀出電路的電子噪聲主要由電阻和MOS管產(chǎn)生，電子噪聲通常為高頻信號(hào)。因此，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MEMS加速度計(jì)100的加速度變化信號(hào)讀出電路102的模擬電路模塊1021可以采用合理的架構(gòu)和低噪聲的電路來(lái)降低噪聲，同時(shí)在數(shù)字電路模塊1022中加入數(shù)字低通濾波器(圖2中示例性地示出為IIR低通濾波器)濾除高頻噪聲從而降低整個(gè)加速度計(jì)的噪聲。
[0029]具體地，該數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)可以基于在設(shè)定的傳感器模型和噪聲模型下的采樣數(shù)據(jù)。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MEMS加速度計(jì)中的數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)流程:
[0030](I)在設(shè)定的傳感器模型和噪聲模型下采樣一段時(shí)間的數(shù)據(jù)
[0031]MEMS加速度計(jì)的采樣頻率即輸出數(shù)據(jù)率(output data rate, 0DR) 一般為I赫茲到幾千赫茲。為了得到真實(shí)且低噪聲的數(shù)據(jù)，讀出電路中的數(shù)字模塊(logic)可以將采樣頻率提高，通過(guò)低通濾波器后，再采用正常的采樣頻率(ODR)輸出到FIFO。
[0032](2)基于采樣數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器，獲得濾波器系數(shù)
[0033]例如，可以采用matlab仿真軟件來(lái)設(shè)計(jì)該數(shù)字低通濾波器?？梢赃x擇合適的低通濾波器的類型(例如無(wú)限沖擊響應(yīng)IIR低通濾波器)、階數(shù)和采樣頻率，通過(guò)matlab程序運(yùn)行結(jié)果得到濾波器系數(shù)an?al和bn?b0。值得注意的是，由于得到的系數(shù)全為小數(shù)，不適用于數(shù)字計(jì)算，因此可以將系數(shù)乘以2的N次方，N越大，系數(shù)越精確，同時(shí)中間結(jié)果和低通濾波器的結(jié)果也需要進(jìn)行截位。在設(shè)計(jì)中，階數(shù)越高和系數(shù)越精確，低通濾波器的結(jié)果越接近理想，但是占用的電路空間會(huì)越大。因此，可以在結(jié)果和電路空間取得一個(gè)平衡，例如采用三階以下的濾波器，濾波器系數(shù)的位數(shù)采用和輸出數(shù)據(jù)位數(shù)相同的位數(shù)。
[0034](3)設(shè)置濾波器系數(shù)寄存器
[0035]例如當(dāng)所設(shè)計(jì)的數(shù)字低通濾波器為二階濾波器，則需要存儲(chǔ)的系數(shù)有al、a2、b0、bl和b2。如果每個(gè)系數(shù)設(shè)為2個(gè)字節(jié)，則總共需要10個(gè)字節(jié)的寄存器。這些寄存器的默認(rèn)值即為matlab計(jì)算出來(lái)的值。同時(shí)，這些寄存器可以通過(guò)接口電路(例如I2C/SPI)讀寫，也可以通過(guò)芯片內(nèi)的數(shù)字EFUSE控制電路進(jìn)行寫。
[0036](4)數(shù)字低通濾波器實(shí)現(xiàn)
[0037]數(shù)字電路模塊實(shí)現(xiàn)濾波器時(shí)，存在很多乘法和加法，因此可以采用占用電路少的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
[0038]采用基于上述設(shè)計(jì)的數(shù)字低通濾波器，可以有效濾除高頻噪聲從而降低整個(gè)MEMS加速度計(jì)的噪聲。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該數(shù)字低通濾波器可設(shè)計(jì)為是系數(shù)可調(diào)的。這樣，如果在MEMS加速度計(jì)的測(cè)試階段發(fā)現(xiàn)加速度計(jì)的噪聲密度較大，可以對(duì)數(shù)字低通濾波器的系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)噪聲的最小化。
[0040]具體地，該數(shù)字低通濾波器的系數(shù)可以通過(guò)所述加速度變化信號(hào)讀出電路中的EFUSE電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MEMS加速度計(jì)的測(cè)試和應(yīng)用。其中，在測(cè)試階段，可以將加速度計(jì)放置在水平面上(即Ig的加速度)，讀取一段時(shí)間的采樣數(shù)據(jù)，將其與設(shè)計(jì)目標(biāo)相比較。如果得到的加速度計(jì)噪聲密度比較大，則可以用采樣的數(shù)據(jù)重新設(shè)計(jì)濾波器系數(shù)，并將經(jīng)重新設(shè)計(jì)的系數(shù)例如通過(guò)EFUSE程序?qū)懭隕FUSE。在應(yīng)用階段，可以通過(guò)接口(例如interface (I2C，SPI))輸入重啟(reboot)寄存器的命令將EFUSE的內(nèi)容導(dǎo)入濾波器系數(shù)寄存器，以啟用經(jīng)重新設(shè)計(jì)的濾波器系數(shù)。
[0041]由上所述，基于上述實(shí)施例的MEMS加速度計(jì)中包括可以在測(cè)試階段進(jìn)行調(diào)節(jié)的數(shù)字低通濾波器，其可以改善噪聲性能。此外，MEMS加速度計(jì)讀出電路中的數(shù)字電路模塊可以采用EFUSE調(diào)節(jié)該數(shù)字低通濾波器的系數(shù)，從而可以實(shí)現(xiàn)噪聲的最小化。
[0042]本發(fā)明已經(jīng)通過(guò)上述實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實(shí)施例只是用于舉例和說(shuō)明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實(shí)施例范圍內(nèi)。此外本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍以內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍由附屬的權(quán)利要求書及其等效范圍所界定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種MEMS加速度計(jì)，其特征在于，所述MEMS加速度計(jì)包括加速度傳感器和加速度變化信號(hào)讀出電路，其中，所述加速度變化信號(hào)讀出電路包括模擬電路模塊和數(shù)字電路模塊，所述數(shù)字電路模塊包括數(shù)字低通濾波器。2.如權(quán)利要求1所述的MEMS加速度計(jì)，其特征在于，所述數(shù)字低通濾波器為系數(shù)可調(diào)的數(shù)字低通濾波器。3.如權(quán)利要求2所述的MEMS加速度計(jì)，其特征在于，所述數(shù)字低通濾波器的系數(shù)通過(guò)所述加速度變化信號(hào)讀出電路中的熔絲電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。4.如權(quán)利要求3所述的MEMS加速度計(jì)，其特征在于，所述數(shù)字低通濾波器的系數(shù)在所述MEMS加速度計(jì)的測(cè)試階段可調(diào)。5.如權(quán)利要求4所述的MEMS加速度計(jì)，其特征在于，所述數(shù)字低通濾波器的系數(shù)能夠在所述MEMS加速度計(jì)的測(cè)試階段被重新設(shè)計(jì)并寫入所述熔絲電路。6.如權(quán)利要求5所述的MEMS加速度計(jì)，其特征在于，所述數(shù)字低通濾波器的經(jīng)重新設(shè)計(jì)的系數(shù)在所述MEMS加速度計(jì)的應(yīng)用階段啟用。7.如權(quán)利要求1所述的MEMS加速度計(jì)，其特征在于，所述數(shù)字低通濾波器的系數(shù)基于在設(shè)定的傳感器模型和噪聲模型下的采樣數(shù)據(jù)。8.如權(quán)利要求7所述的MEMS加速度計(jì)，其特征在于，所述數(shù)字低通濾波器的系數(shù)寄存于濾波器系數(shù)寄存器中。9.如權(quán)利要求1-8中的任一項(xiàng)所述的MEMS加速度計(jì)，其特征在于，所述數(shù)字低通濾波器為IIR數(shù)字低通濾波器。10.如權(quán)利要求1-8中的任一項(xiàng)所述的MEMS加速度計(jì)，其特征在于，所述數(shù)字低通濾波器的階數(shù)為三階以下。
【文檔編號(hào)】G01P15/125GK106033090SQ201510101512
【公開日】2016年10月19日
【申請(qǐng)日】2015年3月9日
【發(fā)明人】陳羅平
【申請(qǐng)人】中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司