【专利解密】矽睿科技基于合并式MEMS加速计传感器斩波提出降噪方案

作者：嘉勤IP 2022-06-03

来源：爱集微 #专利解密#

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【嘉勤点评】矽睿科技发明的基于对合并式MEMS加速计传感器进行斩波的降噪方案，采用基于MEMS传感器的电容-电压转换电路，结合模数转换电路对斩波后的MEMS传感器输出信号进行采样和极性的反转，借助于低通滤波器来降低MEMS传感器采样产生的切换噪声。

集微网消息，微机电系统（MEMS）也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。微机电系统其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。

MEMS是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。其包括执行电功能和机械功能的小型机械装置，例如检测动作的传感器（加速计）、检测角速度的传感器（陀螺仪）就属于MEMS装置。

以加速计为例，其是一种响应于作用在其上的加速度的可测变化的装置。MEMS加速计的种类包括压电性加速计、压阻性加速计和电容性加速计。由于MEMS传感器的尺寸较小，非常适用于现有的智能手机等设备中。

但将MEMS传感器应用于实际产品中时，也要考虑传感器中的感应电路存在的问题，包括感应电路的噪声和尺寸的最小化。为此，矽睿科技在2013年4月8日申请了一项名为“基于对合并式MEMS加速计传感器斩波的降噪方法及电子电路”的发明专利（申请号：201710561498.2），申请人为上海矽睿科技股份有限公司。

根据该方案目前公开的相关资料，让我们一起来看看这项技术方案吧。

如上图，为该专利中发明的MEMS传感器和用于监测MEMS传感器输出端中变化的感应电路的实例部分的结构示意图。其中，感应电路110电连接于MEMS传感器电路105以监测MEMS传感器输出端的变化。MEMS传感器电路可以为电容性加速计，感应电路可以对电容性加速计中的电容变化进行监测。

从上图中，我们可以看到，MEMS传感器的两个电容性元件为电路电容器，标记为C1mem和C2mem。实际的电容性元件可由并联的多个极板构成，以产生图中电容器C1mem和C2mem所表示的总的电容值。电容器形成从MEMS传感器电路的两个输出端到公共电路节点145之间的桥梁，公共电路节点表示到可移动检测质量块的电路连接。每个电容器的一个极板或极板组能够连接于可移动检测质量块，同时另外一个极板或极板组静止不动。

该结构通过对电容器C1mem、C1ofs、C2mem和C2ofs形成的差分电容桥两侧的电荷不平衡的检测来感应加速度信号。这种电容‑电压转换电路还包括差分斩波电路通路，差分斩波电路通路接收差分MEMS传感器输出信号并对差分斩波电路通路的极性进行反转。

在MEMS加速计模拟前端感应电路中，斩波方法提高了1/f噪声的降噪。斩波方法还采用比相关双采样方法更少的电容器，电容器数量的减少降低了热噪声且减少了集成电路上电容‑电压转换电路的使用面积。还能够减少放大器的稳定时间，从而降低功率消耗。

如上图，为这种斩波开关矩阵电路的示意图，电路根据斩波时钟电路230提供的斩波时钟信号CK_A和CK_B来工作。当斩波开关矩阵电路由斩波时钟相位CK_A提供时钟，则电路输入端的差分信号被传递。当斩波开关矩阵电路由斩波时钟相位CK_B提供时钟，则电路输入端的差分信号反转。当CK_A为有效或“接通”时，CK_B为关断，反之亦然。

最后，如上图，为MEMS加速计感应电路中降低噪声的方法流程图。首先，MEMS传感器的输出被系统所感应，并产生差分传感器输出信号。其次，将MEMS传感器的输出加至差分斩波电路通路，以降低电路中的噪声。为了实现斩波，可以按照时间间隔对差分斩波电路通路的极性进行反转。最后，通过差分数模转换电路对斩波后的MEMS传感器输出信号进行采样，以产生可以表示MEMS传感器中电容变化的数字信号。

以上就是矽睿科技发明的基于对合并式MEMS加速计传感器进行斩波的降噪方案，该方案采用基于MEMS传感器的电容-电压转换电路，结合模数转换电路对斩波后的MEMS传感器输出信号进行采样和极性的反转，借助于低通滤波器来降低MEMS传感器采样产生的切换噪声。