一种MEMS传感器系统及其使用方法技术方案

本发明专利技术公开了一种MEMS传感器系统，包括：MEMS传感器；前置放大器用于将MEMS传感器输出的电荷量转化为第一电压信号输出；前置放大器包括第一运算放大器，以及并联在第一运算放大器的负向输入端与输出端之间的反馈电容和电阻；相关双采样器用于采样前置放大器在不同时刻输出的第一电压信号，并对其做减法运算，输出与反馈电容的电容变化量成比例的第二电压信号；模数转换器用于将相关双采样器输出的第二电压信号转化为数字电压信号输出；数字信号处理器用于对模数转换器输出的数字电压信号进行噪声压制处理；动态反馈单元用于脉冲信号至MEMS传感器，控制多个开关的通断，将上极板和下极板接通对应的电压信号。本发明专利技术提供的系统可以提高系统精度与降低功耗。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS传感器系统及其使用方法
本专利技术涉及传感器
，尤其涉及一种MEMS传感器系统及其使用方法。
技术介绍
现有MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)传感器架构大多采用开关电容电路实现，这种电路存在较多的开关状态切换，MEMS传感器系统容易受开关噪声影响，如开关热噪声等，限制了MEMS传感器的精度，比如精度达到10ng/rt(Hz)的应用等。在地震勘探等应用中，需要高精度MEMS传感器，应用传统开关电容电路结构的传感器不能满足要求。因此需要一种MEMS传感器系统来提高精度。
技术实现思路
本申请实施例通过提供一种MEMS传感器系统及其使用方法，可以提高系统精度与降低功耗。本专利技术提供一种MEMS传感器系统，其包括：MEMS传感器，其包含有上极板、中间极板和下极板，所述上极板和所述下极板均分别通过多个开关接入不同大小的电压信号；前置放大器，与MEMS传感器电性连接，用于将所述MEMS传感器输出的电荷量转化为第一电压信号输出；所述前置放大器包括第一运算放大器，以及并联在所述第一运算放大器的负向输入端与输出端之间的反馈电容和电阻；相关双采样器，与所述前置放大器电性连接，用于采样所述前置放大器在不同时刻输出的所述第一电压信号，并对所述第一电压信号做减法运算，输出与所述反馈电容的电容变化量成比例的第二电压信号；模数转换器，与所述相关双采样器电性连接，用于将所述相关双采样器输出的所述第二电压信号转化为数字电压信号，并将所述数字电压信号输出；数字信号处理器，与所述模数转换器电性连接，用于对所述模数转换器输出的所述数字电压信号进行噪声压制处理，同时产生时序信号，并将所述时序信号输出；动态反馈单元，与所述数字信号处理器电性连接，用于根据所述时序信号，输出对应的脉冲信号至所述MEMS传感器，以控制所述多个开关的通断，将所述上极板和所述下极板接通对应的电压信号。优选的，所述动态反馈单元，还用于通过动态元件匹配方法或者数据加权平均方法对所述时序信号进行处理。优选的，所述动态反馈单元，用于根据所述时序信号，输出固定脉冲宽度的脉冲信号，或者输出随所述时序信号的大小自动调整脉冲宽度的脉冲信号。优选的，所述数字信号处理器，其输出端还与所述MEMS传感器的输入端电性连接，用于选择将所述时序信号输出至所述MEMS传感器，以控制所述多个开关的通断，实现所述上极板和所述下极板接通对应的电压信号。优选的，所述数字信号处理器，还用于产生用于抵消直流偏置信号的数字序列。优选的，所述相关双采样器，包括：第二运算放大器、第一存储电容以及第二存储电容；所述第一存储电容的第一端接地，所述第一存储电容的第二端与所述第二运算放大器的负向输入端连接，且所述第一存储电容的第二端还通过第一开关与所述前置放大器的输出端连接；所述第二存储电容的第一端接地，所述第二存储电容的第二端与所述第二运算放大器的正向输入端连接，且所述第二存储电容的第二端还通过第二开关与所述前置放大器的输出端连接。优选的，所述第一运算放大器在工作时，其正向输入端接地或者接入共模电压，所述共模电压的大小为参考电压的一半。优选的，所述参考电压为所述MEMS传感器系统的供电电压。本专利技术提供一种MEMS传感器系统的使用方法，所述MEMS传感器系统为上述的系统，所述方法包括：动态反馈单元输出脉冲信号至MEMS传感器，控制所述MEMS传感器的上极板接通参考电压，以给所述MEMS传感器的上极板和中间极板形成的第一电容充电，在所述第一电容充电完成之后，控制所述相关双采样器获取所述第一电容电压并存储；所述动态反馈单元输出脉冲信号至所述MEMS传感器，控制所述MEMS传感器的下极板接通所述参考电压，给所述MEMS传感器的下极板和中间极板形成的第二电容充电，在所述第二电容充电完成之后，控制所述相关双采样器获取所述第二电容电压并存储；将所述第一电容电压与所述第二电容电压相减后输出第二电压信号。优选的，还包括：控制第一运算放大器虚短，将所述中间极板的电压提升至所述参考电压的一半，以实现所述第一运算放大器伪差分读出。实施本专利技术，具有如下有益效果：本专利技术提供的系统及方法中，前置放大器的输出电压采用相关双采样器进行采样与数学运算，能够有效消除电路中的低频噪声与失调电压等共模成分，克服了未采用相关双采样器时前置放大器输出的电压信号直流偏置偏大的缺点，克服了前置放大器电容要远远大于MEMS传感器电容的劣势。同时能够提高前置放大器输出信号的信噪比，降低模数转换器的精度要求，有利于提高系统精度与降低功耗。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术提供的一实施例中MEMS传感器系统的示意图；图2是本专利技术提供的一实施例中动态反馈单元的动态匹配电路示意图；图3是本专利技术提供的另一实施例中动态反馈单元的动态匹配电路示意图；图4是本专利技术提供的相关双采样器的示意图；图5是本专利技术提供的一实施例中脉冲宽度可调的MEMS传感器读出与反馈时序示意图；图6是本专利技术提供的一实施例中数据加权平均技术实施方式示意图；图7是本专利技术提供的单极检测技术动态反馈单元输出电压与相关双采样保持器时序示意图；图8是本专利技术提供的另一实施例中MEMS传感器系统的示意图。具体实施方式为了使本申请所属
中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。本专利技术提供了一种MEMS传感器系统，如图1所示，该系统包括：MEMS传感器1、前置放大器2、相关双采样器3、模数转换器4(即：ADC4)、数字信号处理器5以及动态反馈单元6。MEMS传感器1包含有上极板、中间极板和下极板，上极板和下极板均分别通过多个开关接入不同大小的电压信号。前置放大器2与MEMS传感器1电性连接，用于将MEMS传感器1输出的电荷量转化为第一电压信号输出；前置放大器2包括第一运算放大器OP1，以及并联在第一运算放大器OP1的负向输入端与输出端之间的反馈电容Cf和电阻Rf。反馈电容Cf用于产生存储MEMS传感器1输出的电荷量，电阻Rf用于防止反馈电容Cf产生饱和并提供第一运算放大器OP1输出直流偏置。在一实施例中，第一运算放大器OP1的正向输入端接共模电压，共模电压的电压值为Vref/2，Vref为参考电压。这种接法能够有效消除MEMS传感器1中间极板位于平衡位置时固定电容所存储的固定电荷，能够有效利用运算放大器的输出电压摆幅，提高系统精度。本专利技术中的前置放大器2只需要运算放大器、反馈电容Cf和电阻Rf组成，没有开关，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS传感器系统，其特征在于，包括：/nMEMS传感器，其包含有上极板、中间极板和下极板，所述上极板和所述下极板均分别通过多个开关接入不同大小的电压信号；/n前置放大器，与MEMS传感器电性连接，用于将所述MEMS传感器输出的电荷量转化为第一电压信号输出；所述前置放大器包括第一运算放大器，以及并联在所述第一运算放大器的负向输入端与输出端之间的反馈电容和电阻；/n相关双采样器，与所述前置放大器电性连接，用于采样所述前置放大器在不同时刻输出的所述第一电压信号，并对所述第一电压信号做减法运算，输出与所述反馈电容的电容变化量成比例的第二电压信号；/n模数转换器，与所述相关双采样器电性连接，用于将所述相关双采样器输出的所述第二电压信号转化为数字电压信号，并将所述数字电压信号输出；/n数字信号处理器，与所述模数转换器电性连接，用于对所述模数转换器输出的所述数字电压信号进行噪声压制处理，同时产生时序信号，并将所述时序信号输出；/n动态反馈单元，与所述数字信号处理器电性连接，用于根据所述时序信号，输出对应的脉冲信号至所述MEMS传感器，以控制所述多个开关的通断，将所述上极板和所述下极板接通对应的电压信号。/n...

【技术特征摘要】
1.一种MEMS传感器系统，其特征在于，包括：
MEMS传感器，其包含有上极板、中间极板和下极板，所述上极板和所述下极板均分别通过多个开关接入不同大小的电压信号；
前置放大器，与MEMS传感器电性连接，用于将所述MEMS传感器输出的电荷量转化为第一电压信号输出；所述前置放大器包括第一运算放大器，以及并联在所述第一运算放大器的负向输入端与输出端之间的反馈电容和电阻；
相关双采样器，与所述前置放大器电性连接，用于采样所述前置放大器在不同时刻输出的所述第一电压信号，并对所述第一电压信号做减法运算，输出与所述反馈电容的电容变化量成比例的第二电压信号；
模数转换器，与所述相关双采样器电性连接，用于将所述相关双采样器输出的所述第二电压信号转化为数字电压信号，并将所述数字电压信号输出；
数字信号处理器，与所述模数转换器电性连接，用于对所述模数转换器输出的所述数字电压信号进行噪声压制处理，同时产生时序信号，并将所述时序信号输出；
动态反馈单元，与所述数字信号处理器电性连接，用于根据所述时序信号，输出对应的脉冲信号至所述MEMS传感器，以控制所述多个开关的通断，将所述上极板和所述下极板接通对应的电压信号。


2.根据权利要求1所述的MEMS传感器系统，其特征在于，所述动态反馈单元，还用于通过动态元件匹配方法或者数据加权平均方法对所述时序信号进行处理。


3.根据权利要求1所述的MEMS传感器系统，其特征在于，所述动态反馈单元，用于根据所述时序信号，输出固定脉冲宽度的脉冲信号，或者输出随所述时序信号的大小自动调整脉冲宽度的脉冲信号。


4.根据权利要求1所述的MEMS传感器系统，其特征在于，所述数字信号处理器，其输出端还与所述MEMS传感器的输入端电性连接，用于选择将所述时序信号输出至所述MEMS传感器，以控制所述多个开关的通断，实现所述上极板和所述下极板接通对应的电压信号。


5.根据权利要求1所述的MEMS传感器系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宗伟，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11