一种微机电系统及其温度确定方法、温度补偿方法

技术领域

本申请属于微机电系统技术领域，尤其涉及一种微机电系统及其温度确定方法、温度补偿方法。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)，也称微电子机械系统、微系统、微机械等，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。常见的MEMS产品包括MEMS振荡器、MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器等以及它们的集成产品。可见，微机电系统是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米级。常见的微机电系统内一般包含有惯性器件和谐振器器件等电子器件，而在实际工作过程中，这些电子器件容易受到温度的影响，导致微机电系统出现温度漂移的现象，影响微机电系统输出信号的准确性。

发明内容

本申请实施例提供一种微机电系统及其温度确定方法、温度补偿方法，旨在改善现有微机电系统内的电子器件容易受到温度的影响，导致微机电系统出现温度漂移的现象，影响微机电系统输出信号准确性的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种微机电系统的温度确定方法，包括以下步骤：

控制微机电系统的谐振型惯性器件进行动作，以获得具有第一频率的谐振电信号；

控制所述微机电系统的谐振器器件进行动作，以获得具有第二频率的时钟电信号，其中，所述第二频率大于所述第一频率；

基于所述谐振电信号的一个脉冲周期，对所述时钟电信号的脉冲进行计数，以获得与所述微机电系统的温度成比例的计数值；

根据所述计数值，确定并输出所述微机电系统的温度。

可选的，在一些实施例中，所述第二频率为所述第一频率的10

可选的，在一些实施例中，所述微机电系统包括至少两个所述谐振型惯性器件，所述控制微机电系统的谐振型惯性器件进行动作，以获得具有第一频率的谐振电信号的步骤具体包括：控制所述微机电系统的各个所述谐振型惯性器件进行动作，以在各个所述谐振型惯性器件同频同相后，获得所述谐振电信号。

可选的，在一些实施例中，所述微机电系统包括至少两个所述谐振器器件，所述控制微机电系统的谐振器器件进行动作，以获得具有第二频率的时钟电信号的步骤具体包括：控制所述微机电系统的各个所述谐振器器件进行动作，以在各个所述谐振器器件同频同相后，获得所述时钟电信号。

第二方面，本申请实施例提供一种微机电系统的温度补偿方法，包括以下步骤：

通过上述的温度确定方法，确定并输出所述微机电系统的温度；

基于所述微机电系统的温度及预设温度补偿对照列表，分别对所述谐振型惯性器件以及所述谐振器器件进行相应的温度补偿，以输出目标惯性电信号和目标时钟电信号。

可选的，在一些实施例中，所述基于所述微机电系统的温度及预设温度补偿对照列表，分别对所述谐振型惯性器件以及所述谐振器器件进行相应的温度补偿，以输出目标惯性电信号和目标时钟电信号的步骤具体包括：

在控制微机电系统的谐振型惯性器件进行动作，以获得具有第一频率的谐振电信号时，同步获得包含惯性传感信息的惯性电信号；

基于所述微机电系统的温度及预设温度补偿对照列表，分别调整所述惯性电信号的初始值及所述时钟电信号的频率，来分别对所述谐振型惯性器件以及所述谐振器器件进行相应的温度补偿，以输出目标惯性电信号和目标时钟电信号。

第三方面，本申请实施例提供一种微机电系统，包括MEMS器件裸芯片、至少一个用于输出惯性电信号的谐振型惯性器件以及至少一个用于输出时钟信号的谐振器器件，所述谐振型惯性器件和所述谐振器器件共同耦合在所述MEMS器件裸芯片内，且所述谐振型惯性器件和所述谐振器器件共同配置为根据上述的温度确定方法确定所述微机电系统的温度的元件，和/或，共同配置为根据上述的温度补偿方法对所述微机电系统进行温度补偿的元件。

可选的，在一些实施例中，所述谐振型惯性器件为谐振型陀螺仪或谐振型加速度计。

可选的，在一些实施例中，还包括CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)裸芯片，所述MEMS器件裸芯片与所述CMOS裸芯片之间通过引线键合或倒装焊接进行电性连接。

可选的，在一些实施例中，包括多个所述MEMS器件裸芯片和多个所述CMOS裸芯片，至少一个所述MEMS器件裸芯片和至少一个所述CMOS裸芯片之间堆叠设置，和/或，至少一个所述MEMS器件裸芯片和至少一个所述CMOS裸芯片之间平铺设置。

在本申请中，微机电系统通过一方面控制谐振型惯性器件进行动作，以获得具有第一频率的谐振电信号及包含惯性传感信息的惯性电信号；另一方面控制微机电系统的谐振器器件进行动作，以获得具有第二频率的时钟电信号后。基于该谐振电信号的一个脉冲周期，对该时钟电信号的脉冲进行计数，以获得与微机电系统的温度成比例的计数值。最后，一方面可根据计数值，确定并输出微机电系统的温度。另一方面可进一步基于微机电系统的温度及预设温度补偿对照列表，分别对谐振型惯性器件以及谐振器器件进行相应的温度补偿，以输出目标惯性电信号和目标时钟电信号。这样一来，本申请的技术方案，一方面可为微机电系统克服温度漂移问题提供准确的温度信息，另一方面可基于该温度信息对该微机电系统内的电子器件作出相应的温度补偿，以确保该微机电系统输出的目标惯性电信号和目标时钟电信号的准确性。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其有益效果显而易见。

图1是本申请实施例提供的微机电系统的温度确定方法的流程示意图。

图2是图1所示温度确定方法中基于谐振电信号的一个脉冲周期，对时钟电信号的脉冲进行计数的示意图。

图3是本申请实施例提供的微机电系统的温度补偿方法的流程示意图。

图4是图3所示的温度补偿方法中的步骤S220的流程示意图。

图5是本申请实施例提供的微机电系统的第一种结构示意图。

图6是本申请实施例提供的微机电系统的第二种结构示意图。

图7是本申请实施例提供的微机电系统的第三种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。常见的MEMS产品包括MEMS振荡器、MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器等以及它们的集成产品。可见，微机电系统是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米级。常见的微机电系统内一般包含有惯性器件和谐振器器件等电子器件，而在实际工作过程中，这些电子器件容易受到温度的影响，导致微机电系统出现温度漂移的现象，影响微机电系统输出信号的准确性。

基于此，有必要提供一种新的微机电系统的设计方案，以改善现有微机电系统内的电子器件容易受到温度的影响，导致微机电系统出现温度漂移的现象，影响微机电系统输出信号的准确性的问题。

如图1所示，在一个实施例中，本申请实施例提供一种微机电系统的温度确定方法，该温度确定方法具体可包括以下步骤：

步骤S110：控制微机电系统的谐振型惯性器件进行动作，以获得具有第一频率的谐振电信号。

具体地，微机电系统的内部一般会包含有谐振型惯性器件和谐振器器件等电子器件，微机电系统工作时，可通过控制不同的电子器件进行动作，来输出不同的电信号。在微机电系统中，谐振型惯性器件一般为谐振式传感器，其可利用谐振元件把被测参量转换为频率信号的传感器，又称频率式传感器。当被测参量发生变化时，谐振元件的固有振动频率随之改变，通过相应的测量电路，就可得到与被测参量成一定关系的电信号。按谐振元件的不同，谐振式传感器可分为振弦式、振筒式、振梁式、振膜式和压电谐振式等(见振弦式传感器、振筒式传感器、振梁式传感器、振膜式传感器、石英晶体谐振式传感器)。谐振式传感器主要用于测量压力，也用于测量转矩、密度、加速度和温度等。

因而，在微机电系统中，可通过控制微机电系统的谐振型惯性器件进行动作，以获得具有第一频率的谐振电信号。同时，对于不同的微机电系统而言，其内部设置的谐振型惯性器件和谐振器器件的数量会有所不同，即微机电系统内部设置的谐振型惯性器件和谐振器器件的数量均可不限于一个，因而，当微机电系统包括至少两个谐振型惯性器件时，为更准确地在谐振型惯性器件动作时，获得更准确的具有第一频率的谐振电信号，此时，执行本方法步骤“控制微机电系统的谐振型惯性器件进行动作，以获得具有第一频率的谐振电信号”的具体过程如下：控制微机电系统的各个谐振型惯性器件进行动作，以在各个谐振型惯性器件同频同相后，获得上述具有第一频率的谐振电信号。

步骤S120：控制微机电系统的谐振器器件进行动作，以获得具有第二频率的时钟电信号，其中，第二频率大于第一频率。

具体地，在微机电系统中，谐振器器件作为时钟源的振荡器，可在动作时，输出具有第二频率的时钟电信号，其中，第二频率大于第一频率。同时，基于上述表述可知，微机电系统的内部设置的谐振器器件的数量可不限于一个，因而，因而，当微机电系统包括至少两个谐振器器件时，为更准确地在谐振器器件动作时，获得更准确的具有第二频率的时钟电信号，此时，执行本方法步骤“控制微机电系统的谐振器器件进行动作，以获得具有第二频率的时钟电信号”的具体过程如下：控制微机电系统的各个谐振器器件进行动作，以在各个谐振器器件同频同相后，获得上述具有第二频率的时钟电信号。

一般而言，在微机电系统中，上述第一频率优选为千赫兹(KHz)级别，第二频率优先为兆赫兹(MHz)级别，也就是说，谐振型惯性器件动作，输出千赫兹(KHz)级别的第一频率，谐振器器件动作，输出兆赫兹(MHz)级别第二频率。进一步地，第二频率优选为第一频率的10

步骤S130：基于该谐振电信号的一个脉冲周期，对该时钟电信号的脉冲进行计数，以获得与该微机电系统的温度成比例的计数值。

具体地，当通过上述方法步骤分别得到具有第一频率的谐振电信号和具有第二频率的时钟电信号后，可基于该谐振电信号的一个脉冲周期，对该时钟电信号的脉冲进行计数，以获得与该微机电系统的温度成比例的计数值。具体可如图2所示，在谐振电信号的一个脉冲周期内，对时钟电信号的脉冲进行计数，以获得计数值N，即N＝floor(fh/fl)，其中，fl为第一频率，fh为第二频率；当微机电系统的温度改变后，由于频率与温度成比例，第一频率fl则变为fl’，第二频率fh则变为fh’，此时，计数值N变为N’，fl’＝fl*(1+ε)，fh’＝fh*(1+δ)，则N’－N＝floor(fh*(1+δ)/fl*(1+ε))-floor(fh/fl)＝fh/fl*[(δ-ε)/(1+ε)]，fl/fh>1/(δ-ε)，从而计数值N(N’)与微机电系统的温度成一定的比例值，对于不同的微机电系统，由于其包含的电子器件不同，因而其具有不同的比例值，而对于相同的微机电系统而言，则由于其包含相同的电子器件，其比例值基本保持恒定，因而，可预先通过大量的实验数据测得该比例值。

通常，δ-ε在1～10ppm级别，则fh/fl一般在10

步骤S140：根据该计数值，确定并输出该微机电系统的温度。

具体地，由上述表述可知，上述方法步骤得到的计数值N(N’)是与微机电系统的温度成比例的，因而，可根据该计数值，确定并输出该微机电系统的温度。

这样一来，本申请实施例的技术方案，其可为微机电系统克服温度漂移问题提供准确的温度信息。

如图3所示，在一个实施例中，本申请实施例提供一种微机电系统的温度补偿方法，该温度补偿方法具体可包括以下步骤：

步骤S210：通过上述的温度确定方法，确定并输出微机电系统的温度。

具体地，可参照上述方法实施例中的微机电系统的温度补偿方法，以确定并输出微机电系统的温度。

步骤S220：基于微机电系统的温度及预设温度补偿对照列表，分别对谐振型惯性器件以及谐振器器件进行相应的温度补偿，以输出目标惯性电信号和目标时钟电信号。

具体地，该预设温度补偿对照列表是预先经过大量实验数据制作所得的，在该预设温度补偿对照列表下，其记录了该微机电系统在每一温度下，为确保其输出的目标惯性电信号和目标时钟电信号的准确性，其分别需要对谐振型惯性器件和谐振器器件作出什么样的温度补偿，即每一温度值下，对应记录有需要对谐振型惯性器件输出的惯性电信号的初始值以及对谐振器器件输出的时钟电信号的频率分别作出的温度补偿值，以对谐振型惯性器件输出的惯性电信号的初始值以及对谐振器器件输出的时钟电信号的频率分别作出相应的调整。因而，如图4所示，执行本方法步骤“基于微机电系统的温度及预设温度补偿对照列表，分别对谐振型惯性器件以及谐振器器件进行相应的温度补偿，以输出目标惯性电信号和目标时钟电信号”的具体过程如下：

步骤S221：在控制微机电系统的谐振型惯性器件进行动作，以获得具有第一频率的谐振电信号时，同步获得包含惯性传感信息的惯性电信号。

步骤S222：基于微机电系统的温度及预设温度补偿对照列表，分别调整惯性电信号的初始值及时钟电信号的频率，来分别对谐振型惯性器件以及谐振器器件进行相应的温度补偿，以输出目标惯性电信号和目标时钟电信号。

基于上述可知，在控制微机电系统的谐振型惯性器件进行动作，以获得具有第一频率的谐振电信号时，其可同步获得包含惯性传感信息的惯性电信号，即谐振型惯性器件一般可引出两个电信号输出端，在控制谐振型惯性器件进行动作时，一个电信号输出端对应输出具有第一频率的谐振电信号，一个电信号输出端对应输出包含惯性传感信息的惯性电信号。而在分别对谐振型惯性器件以及谐振器器件进行相应的温度补偿时，可基于微机电系统的温度及预设温度补偿对照列表，通过简洁的查表法，找出当前温度下，需要对谐振型惯性器件输出的惯性电信号的初始值以及对谐振器器件输出的时钟电信号的频率分别作出的温度补偿值，以分别调整惯性电信号的初始值及时钟电信号的频率，来分别对谐振型惯性器件以及谐振器器件进行相应的温度补偿，以输出目标惯性电信号和目标时钟电信号。

这样一来，本申请实施例的技术方案，其可基于上一实施例获取得到的温度信息，对该微机电系统内的电子器件作出相应的温度补偿，以确保该微机电系统输出的目标惯性电信号和目标时钟电信号的准确性。

在一些示例中，基于微机电系统的温度，分别对谐振型惯性器件以及谐振器器件进行相应的温度补偿也可具体通过以下方式来实现：

基于微机电系统的温度，分别调整惯性电信号的初始值及时钟电信号的频率，可输出温度补偿后的惯性电信号，以用于对谐振型惯性器件进行温度补偿，也可输出温度补偿的时钟电信号，以用于对作为时钟源的谐振器器件进行温度补偿。

其具体补偿效果如公式(1)所示：

其中，Clk

谐振型惯性器件被配置为谐振型陀螺仪时，可以采用最小二乘拟合补偿、BP神经网络、混合线性回归(MLR)等，进行温度特性的建模与补偿算法。补偿算法的选择要根据实际陀螺仪的工作特性，选择既能有效表征漂移与温度变化特性，又简单易操作的补偿方法。

作为时钟源的谐振器器件的温度补偿也可以通过对第二频率fh应用逆温度校正函数来执行。即通过对第二频率fh应用增量累加(ΔΣ)调制、多模分频和小数分频锁相环(PLL)来实现对温度变化的连续补偿。此时，首先基于计数值来确定微机电系统的温度，接着输出该温度的电信号用于设置ΔΣ调制。ΔΣ调制的输出用于控制多模分频。小数分频锁相环(PLL)则用于对量化噪声进行滤波。应当理解，小数分频锁相环(PLL)可以是可选的。

优选地，ΔΣ调制允许模数转换。ΔΣ调制在其输入处对模拟信号进行过采样，然后将其通过抽取滤波器。ΔΣ调制的输出是表示校正温度因子的高分辨率数字信号。

优选地，多模分频是小数分频锁相环(PLL)的组成部分，并且位于PLL的反馈回路中。在一个实施方式中，将回路中的信号除以N或N+1，并且通过ΔΣ调制的输出来设置将回路中的信号除以N或N+1的次数。

优选地，多模分频可以被视为执行调谐。基准谐振器信号的分频取决于ΔΣ调制提供的数。在一个实施方式中，如果温度升高(在这种情况下基准信号将在频率上漂移较低)，则使用较低的分频器以便保持输出基本恒定。

优选地，在包括小数分频锁相环(PLL)的实施方式中，PLL引入负反馈回路，该负反馈回路基本上锁定输入信号的相位。在一个实施方式中，PLL基于振荡器、分频器(在这种情况下为N/N+1)、回路滤波器和相频检测器。PLL的目标是锁定相位并允许对基准信号进行分频，以使得输出具有基本恒定的频率和基本恒定的相位。

当谐振器器件为两个时，控制各个谐振器器件进行动作，当各个谐振器器件同频同相后，获得具有第二频率的时钟电信号。

其具体补偿效果如公式(2)所示：

其中，Clk

当谐振型惯性器件为至少两个，并且，谐振器器件为至少两个时，控制各个谐振型惯性器件进行动作，当各个谐振型惯性器件同频同相后，获得具有第一频率的谐振电信号以及包含惯性传感信息的惯性信号。

其具体补偿效果如公式(3)所示：

其中，Clk

如图5所示，在一个实施例中，本申请实施例提供一种微机电系统100，该微机电系统100包括MEMS器件裸芯片110、至少一个用于输出惯性电信号的谐振型惯性器件120以及至少一个用于输出时钟信号的谐振器器件130，谐振型惯性器件120和谐振器器件130共同耦合在MEMS器件裸芯片110内，且谐振型惯性器件120和谐振器器件130共同配置为根据上述实施例的温度确定方法确定微机电系统100的温度的元件，或共同配置为根据上述的温度补偿方法对微机电系统100进行温度补偿的元件。

需要说明的是，本发明实施例的微机电系统实施例与上述方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详细见上述方法实施例，且上述方法实施例中的技术特征在本微机电系统的实施例中均对应适用，这里不再赘述。

这样一来，本申请实施例的微机电系统100，将谐振型惯性器件120及谐振器器件130耦合在一起，从而，有助于减小微机电系统100的体积，以满足微型化之趋势。并且，谐振型惯性器件120和谐振器器件130分别作为惯性传感器器件和时钟源器件，还共同作为确定微机电系统100的温度的元件，以及对微机电系统100进行温度补偿的元件，在克服了温度漂移的问题的前提下，无需引入外部温度传感器，有助于降低功耗，提升了微机电系统100的集成度，且高度集成化有助于进一步减小微机电系统100的体积，以适应电子产品微型化之趋势。

在一些示例中，谐振型惯性器件120具体可以为谐振型陀螺仪或谐振型加速度计。进一步地，微机电系统100具体还包括CMOS裸芯片140，MEMS器件裸芯片110与CMOS裸芯片140之间通过图5所示的引线键合或图6所示的倒装焊接进行电性连接。

在一些示例中，为满足微机电系统100更多的功能需求，该微机电系统100具体可包括多个MEMS器件裸芯片110和多个CMOS裸芯片140，每一MEMS器件裸芯片110内耦合有相应的谐振型惯性器件120和谐振器器件130，至少一个MEMS器件裸芯片110和至少一个CMOS裸芯片140之间如图5或图6所示堆叠设置，和/或，至少一个MEMS器件裸芯片110和至少一个CMOS裸芯片140之间如图7所示平铺设置，这样可满足本微机电系统100的更多布局需求。

尽管已经相对于一个或多个实现方式示出并描述了本申请，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本申请包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本说明书的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。

即，以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。另外，对于特性相同或相似的结构元件，本申请可采用相同或者不相同的标号进行标识。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，“示例性”一词是用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何一个实施例不一定被解释为比其它实施例更加优选或更加具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，本申请给出了以上描述。在以上描述中，为了解释的目的而列出了各个细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实施例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。