CN102356323B - 基于三相电容的感测 - Google Patents

Abstract

提供各种用于感测的系统和方法。在一个实施例中，提供了一种感测系统，其包括设置在检测质量块上的第一电极阵列和设置在支撑结构的平面表面上的第二电极阵列。所述检测质量块通过顺从耦合附着至所述支撑结构，从而将第一电极阵列定位为基本平行于第二电极阵列并面对所述第二电极阵列，所述检测质量块能够相对于所述支撑结构发生位移。所述第一电极阵列包括多个由电极构成的第一图案，所述第二电极阵列包括多个由电极构成的第二图案。所述感测系统还包括被配置为向每一第二图案中的电极提供输入电压从而为第一电极阵列生成零值电压位置的电路。

Description

基于三相电容的感测

背景技术

采用电容微机电系统(MEMS)感测位置和加速度可能由于顺从部件(compliant components)的不必要的运动以及这样的部件的有限的运动范围的原因而缺乏灵敏度和精确度。此外，传感器的动态范围(即，最大信号与最小信号的比值)可能受到用于将电容变化转换成位置或加速度的方法的限制。

附图说明

参考下述附图本发明的很多方面能够得到更透彻的理解。附图中的部件未必是按比例绘制的，相反，附图的重点在于清晰地表现出本发明的原理。此外，在附图中，各个图采用类似的附图标记表示对应部分。

图1是根据本发明实施例的传感器的示意图；

图2是根据本发明实施例的图1所示的传感器中所采用的电极阵列的图示；

图3是根据本发明实施例的图1所示的传感器中的对应电极之间的电气耦合的示意图；

图4是示出了根据本发明实施例的图1所示的传感器中的第一和第二电极阵列之间的交叉电容的等效电路的示意图；

图5是根据本发明实施例的被具体化为生成解调输出电压的图1所示的传感器的示意图；

图6和图7是根据本发明的实施例的图5所示的解调输出电压中的变化的图解表示；

图8是根据本发明的实施例的包括用于以解调输出电压为基础的反馈的控制器的图5所示的传感器的示意图；

图9示出了根据本发明实施例的图8所示的控制器的示范性实施例的操作；

图10是根据本发明实施例的图8所示的传感器的示范性实施例的示意图；

图11示出了根据本发明实施例的图9所示的控制器所采用的示范性32位位置字；以及

图12是示出了根据本发明的实施例的用于确定图8所示的传感器的第二电极阵列相对于第一电极阵列的位移的方法的流程图。

具体实施方式

参考图1，其示出了根据本发明实施例的传感器100。例如，可以采用传感器100检测加速度，将对此予以说明。传感器100包括三个层或“晶圆”。具体而言，传感器100包括电子装置晶圆103、检测质量(proof mass)晶圆106和帽盖晶圆109。CMOS电子装置113位于电子装置晶圆100中，CMOS电子装置113可以电气耦合至检测质量晶圆106和帽盖晶圆109中的各种电气部件。而且，CMOS电子装置113可以提供用于耦合至传感器100外的电子部件的输出端子，这一点是可以意识到的。对于某些应用而言，CMOS电子装置113内产生的热可能是无法接受的，在这种情况下所述CMOS电子装置可以位于分离但接近的电子装置管芯等内。

检测质量晶圆106包括机械耦合到检测质量块119的支座116。尽管示出了传感器100的截面图，但是根据一个实施例，作为检测质量晶圆106的部分的支座116仍然围绕所述检测质量块119。因此，在一个实施例中，电子装置晶圆103、支座116和帽盖晶圆109形成了使检测质量块119悬置于其内的腔室。

根据本发明的各实施例，电子装置晶圆103、支座116和帽盖晶圆109一起提供了支撑结构，检测质量块119通过顺从耦合附着至所述支撑结构。就此而言顺从耦合可以包括高展弦比的挠曲悬置元件123。所述高展弦比挠曲悬置元件123可以是在(例如)2005年4月19日授权的发明名称为“Moveable Micro-Electromechanical Device”的美国专利No.6882019中讨论的元件。

传感器100还包括设置在检测质量块119上的第一电极阵列126。在一个实施例中，第一电极阵列126位于检测质量块119的与电子装置晶圆103的上表面相对的表面上。检测质量块119的在其上设置了第一电极阵列126的表面是基本平坦的表面，这一点是可以意识到的。

第二电极阵列129设置在电子装置晶圆103的朝向与设置在检测质量块119上的第一电极阵列126相反的表面上。由于检测质量块126悬置于电子装置晶圆103之上的方式的原因，在第一电极阵列126和第二电极阵列129之间形成了基本均匀的缝隙133。缝隙133的尺寸由距离d表示。例如，距离d可以包括1到3微米之间的任何值，或者其可以是任何其他的被认为适当的距离。

检测质量块119以使得第一电极阵列126和第二电极阵列129基本落在相互平行的平面内的方式悬置于电子装置晶圆103之上，使得缝隙133沿着第一和第二电极阵列126和139之间的整个重叠区域都是基本均匀的。或者，如果认为适当，可以将电极阵列126、129放置到电子装置晶圆103或检测质量块119的其他表面或结构上。

所述高展弦比挠曲悬置元件123提供了一定程度的顺从性，其允许检测质量块119相对于传感器100的支撑结构移动。由于挠曲悬置元件123的设计的原因，检测质量块119从定位位置发生的位移基本局限于与设置在电子装置晶圆103的上表面上的第二电极阵列129基本平行的方向。挠曲悬置元件123被配置为允许检测质量块119沿平行于第二电极阵列129的方向发生预定量的移动，从而使缝隙133随着整个运动过程最大可能程度地保持基本均匀。挠曲悬置元件123的设计实现了检测质量块119沿与第二电极阵列129正交的方向具有最低的运动量，同时允许沿平行于第二电极阵列129的方向具有预期的运动量。

接下来，将提供传感器100在(例如)加速度感测方面的操作的简要讨论。具体而言，将传感器100固定到经历着希望定量测量的加速度的结构或交通工具上。将传感器100固定到所述结构或交通工具上，从而使得加速度的方向与上文讨论的由挠曲悬置元件123提供的允许检测质量块119移动的方向保持一致。一旦所述结构或交通工具经历加速度，检测质量块119就将如上文所述发生移动。由于将第一电极阵列126和第二电极阵列129设置到检测质量块119和电子装置晶圆103上的原因，第一和第二电极阵列126和129之间的一个或多个电容于是将随着所述阵列相对于彼此的移位而发生变化。

可以采用CMOS电子装置113和/或外部电子装置检测或感测电极阵列126和129之间的电容的变化的程度。这样的电路能够基于所述的电容变化生成适当的与传感器100经历的加速度成比例的信号。或者，可以采用闭合回路使检测质量块119在加速过程中保持在预定位置上。这样的电路包括基于来自第一和第二电极阵列126和129的位置反馈施加激励信号从而使检测质量块119停留在预定位置上的闭环，将对此予以说明。

尽管检测质量块119的运动基本限制在与第二电极阵列129基本平行的平面内，但是如果给定挠曲悬置元件123实质上是顺从性的，那么检测质量块119有可能沿与第二电极阵列129正交的方向经历相对于第二电极阵列129的位移。换言之，检测质量块119可能发生不希望出现的移动，从而导致缝隙133的不符合要求的变化。对于文中描述的方法而言，对平面内运动的准确的电容性感测基本不受不希望出现的改变缝隙133的平面外运动的影响。

接下来，参考图2，其示出了根据本发明实施例的相应的第一和第二电极阵列126和129的图示。如图所示，实际存在多个第一电极阵列126和多个第二电极阵列129。例如，在所示的构造中，可以有四对第一和第二电极阵列126和129。假定第一和第二电极阵列126和129具有如图2所示的取向，可以沿与第二电极阵列129平行的平面内的两个维度感测检测质量块119的移动。因此，在一个实施例中，将挠曲悬置元件123配置为允许检测质量块119沿两个维度移动。或者，可以将挠曲悬置元件配置成允许单一维度内的移动，其中，所述第一和第二电极阵列129和129位于单一取向内，从而感测这样的单维移动。

每一个体电极阵列包括多个电极。具体而言，第一电极阵列126每者由多个第一电极143构成，第二电极阵列129由多个第二电极146构成。对于第一电极阵列126中的每者而言，存在对应的第二电极阵列129。每一第一电极阵列126的尺寸小于对应的第二电极阵列129，由此对第一电极阵列126是可移动的这一事实做出解释。因此，即使第一电极阵列126相对于相应的第二电极阵列126移动，也总是贯穿检测质量块119的整个运动范围在对应的第一和第二电极阵列对126之间存在基本相似的重叠。

第一和第二电极143和146中的每者包括彼此相邻设置的矩形导体。将相应的电极阵列的电极143和146中的每者中的公共点之间的距离称为电极阵列的“间距”。尽管将电极143和146示为矩形导体，但是应当理解可以结合文中描述的原理根据预期采用其他形状和尺寸的导体。而且，可以按照图示的矩形阵列以外的构造设置电极。例如，可以将电极设置到圆形阵列内，以供角加速度和位移的检测，这一点是能够认识到的。

之后，参考图3，其示出了第一和第二电极阵列126和129的部分的侧视图。此外，其还示出了相应的电极阵列126和129中的相应的电极143和146之间的电气连接。考虑到所述电气连接，第一电极阵列126包括多个由电极143构成的第一图案153。每一图案153包括电极143中的两个。每一图案153内的每一电极143与其他图案153中的在其相应的图案143中占据相同位置的其他电极143相对应。也就是说，当第一个第一图案153内的第一个电极143和第二个第一图案153中的第二个电极143二者在其相应的图案153内占据相同的位置时，第一个第一图案153内的第一个电极143对应于第二个第一图案153中的第二个电极143。每一图案153中的对应电极143相互电气耦合。而且，第一图案153在第一电极阵列126内相对于彼此交错(interdigitated)。

第二电极阵列129包括多个由电极146构成的第二图案156。每一第二图案156包括至少三个第二电极146。每一图案156内的每一电极146与其他图案156中的在其相应的图案146中占据相同位置的其他电极146相对应。也就是说，当第一个第二图案156内的第一个电极146和第二个第二图案156中的第二个电极146二者在其相应的图案156内占据相同的位置时，第一个第二图案156内的第一个电极146对应于第二个第二图案156中的第二个电极146。第二图案156在第二电极阵列129内交错。每一第二图案156内的对应的第二电极146共同耦合。

每一电极143和146在第一和第二电极阵列126和129内均匀隔开。就此而言，第一电极阵列126具有间距P₁，其中，间距P₁是第一电极阵列126内的指定电极上的点和下一相邻电极上的相同点之间的距离。类似地，第二电极阵列129具有间距P₂。在传感器100的一个实施例的背景下，第一和第二电极阵列126和129具有组长度L，其中，L＝2P₁＝3P₂。

根据本发明实施例，指定第一和第二电极阵列126和129的间距P₁和P₂，从而使第一电极阵列126的间距P₁与第二电极阵列129的间距P₂的比值基本等于1.5。

第一电极阵列126的共同耦合的电极143要么形成第一相位θ_a，要么形成第二相位θ_b。类似地，如图所示，共同耦合的电极146形成了相位θ_A、θ_B和θ_C。通过这一构造产生了第二电极阵列129的间隔120度的相位。

接下来参考图4，其示出了说明第一电极阵列126和第二电极阵列129之间交叉电容的等效电路，所述交叉电容是第一电极阵列126相对于第二电极阵列129的位移δ的函数。尽管未示出，但是应当理解可能存在在图4的示意图中没有考虑的与第一和第二电极阵列126和129相关的包括寄生电容在内的恒定和可变电容。尽管图4所示的电容随着两个电极阵列126和129的相对位置发生变化，但是应当理解未示出的寄生电容可能不会经历显著的变化，或者可能是恒定的。

接下来参考图5，其示出了三相传感器200的示意图，其提供了根据本发明的实施例的传感器100(图1)的一个例子。三相传感器200包括举出单个图案153作为例子(图3)的第一电极阵列126(示出了两个电极)。此外，三相传感器200还包括举出单个图案156(图3)作为例子的第二电极阵列129(示出了三个电极)。传感器200包括用于提供电压V_A、V_B和V_C的波形发生器210，所述电压是施加至第二电极阵列129的共同耦合电极146的正弦电压。在一个实施例中，电压V_A、V_B和V_C是单个参考电压V_acsin(ωt)的刻度表示，其中，ω是角激励频率(2πfc)。将AC电压源V_acsin(ωt)的频率指定为显著高于闭环带宽或者任何系统机械响应。在一个实施例中，可以通过相应的数字控制分压网络，例如但不限于R2R比值DAC(例如参考图10)由公共电压源生成电压V_A、V_B和V_C。尽管图5的实施例示出了采用正弦电压，但是也可以利用其他周期波形。

第一电极阵列126中的共同耦合电极143中的每者均耦合至微分积分器220。三相传感器200被配置成基于第一电极阵列126和第二电极阵列129之间的相到相电容生成解调输出电压V_p。通过第一电极阵列126和第二电极阵列129之间的交叉电容在第一电极143处产生了施加至微分积分器220的信号。将微分积分器220的输出耦合至相应的同步解调器230的输入。此外，由波形发生器210将参考电压V_axsin(ωt)提供给同步解调器230。

在AC激励的条件下，进入同步解调器230的正弦信号的幅值随着由于电极阵列126和129相对于彼此移动而产生的电容变化发生改变。同步解调器230基于微分积分器220的输出和参考电压生成解调输出电压V_p。

为了获得每单位位置变化的最大交叉电容变化(dC/dx)，将第一电极阵列126的间距与第一和第二电极阵列126和129之间的缝隙d的比值指定为基本等于1.6，换言之，P₁/d＝1.6。在这种状况下，可以由周期等于组长度L的单分量傅里叶展开充分表示交叉电容的变化。但是，应当理解，第一电极阵列的间距与缝隙d的比值也可以采用其他值。对于处于大约1到5的范围内的P₁/d比值而言，电极阵列126和129之间的针对三个相位A、B、C的交叉电容项可以由下式表示：

C_aA(d，δ，L，A_r)＝C_s(d，L，A_r)sin(2πδ/L+2π/3)+C₀(d，L，A_r)(1)

C_aB(d，δ，L，A_r)＝C_s(d，L，A_r)sin(2πδ/L+5π/3)+C₀(d，L，A_r)(2)

C_aC(d，δ，L，A_r)＝C_s(d，L，A_r)sin(2πδ/L)+C₀(d，L，A_r)      (3)

C_bA(d，δ，L，A_r)＝C_s(d，L，A_r)sin(2πδ/L+π)+C₀(d，L，A_r)   (4)

C_bB(d，δ，L，A_r)＝C_s(d，L，A_r)sin(2πδ/L-2π/3)+C₀(d，L，A_r)(5)

C_bC(d，δ，L，A_r)＝C_s(d，L，A_r)sin(2πδ/L+π/3)+C₀(d，L，A_r) (6)

其中，C_s(d，L，A_r)是周期性的取决于位置的电容的幅值，C₀(d，L，A_r)是与位置无关的电容项，该项取决于电极的间隔、缝隙d、组长度L和总阵列面积A_r。可以根据位置相位角θ_p＝2πδ/L重写上述等式，所述位置相位角是第一电极阵列126相对于第二电极阵列129的位移δ的函数。

例如，在第二电极阵列129的多个由电极146构成的第二图案156受到下述电压激励时：

V_A＝V_accos(θ_c+2π/3)sin(ωt)(7)

V_B＝V_accos(θ_c)sin(ωt)以及  (8)

V_C＝V_accos(θ_c-2π/3)sin(ωt)(9)

其中，θ_c是电相位角，解调输出电压Vp可以由下式给出：

V_p＝V_acC_s(d，L，A_r)G_dsin(θ_p+2π/3)cos(θ_c+2π/3)+

V_acC_s(d，L，A_r)G_d sin(θ_p)cos(θ_c)+        (10)

V_acC_s(d，L，A_r)G_d sin(θ_p-2π/3)cos(θ_p-2π/3)

其中，G_d是微分积分器220和同步解调器230的增益，单位为伏/法。图6和图7示出了位置相位角(θ_p)和/或电相位角(θ_c)中的变化对解调输出电压(V_p)的影响。

图6是在电相位角等于零(θc＝0)时随着位置相位角从零弧度变为2π弧度归一化解调输出电压的图解表示300。对于检测质量块119的任何给定位置而言，均存在解调输出电压为零的零值电压位置。如图6所示，第一电极阵列的零值电压位置位于θ_p＝0处，并且具有±nπ的间隔，其中，n＝1，2，3...如公式(10)所推算的，第一电极阵列126相对于第二电极阵列129的位移(δ)使归一化解调输出电压在整个组长度(L)上正弦变化。可以通过改变所提供的电压V_A、V_B和V_C对电相位角进行电扫描，并监测解调输出电压来找到参考位置的零值电压位置。

图7是在将电相位角调整到θ_c＝0和±0.3弧度的情况下随着位置相位角从-π弧度变化到+π弧度时解调输出电压的另一图解表示310。如图7的曲线330所示，在θ_c＝0时，解调输出电压围绕位于θ_p＝0处的零值电压正弦变化。通过调整公式(10)中的θ_c，可以通过调整θ_c使零值电压位置左右移动。如图7的曲线320所示，可以使零值电压位置向左移动，从而与-0.3弧度的位置相位角一致。可以通过调整根据公式(7-9)提供给第二电极阵列129的电压(V_A，V_B和V_C)的幅值实现这一零值电压位置的偏移。通过将θ_c设置为预期的零值电压位置(例如，θ_c＝-0.3弧度)，能够确定用于产生这一偏移的电压幅值。类似地，如图7的曲线340所示，可以通过调整根据公式(7-9)提供给第二电极阵列129的电压(V_A，V_B和V_C)使零值电压位置向左移动，从而与+0.3弧度的位置相位角一致。

这一对零位进行电气调整的能力允许调整由不严格的晶圆到晶圆键合对准引起的第一和第二电极阵列之间的失准。此外，如果动态完成了这一调整，就可以在仅由电极阵列126和129的尺寸限定的任意动态范围内跟踪第一电极阵列126相对于第二电极阵列129的位置，进而跟踪检测质量块119相对于支撑结构的位置。在本公开文本中描述的一些实施例能够将所述动态范围从当前的接近140dB的限制提高到接近200dB的值。此外，能够贯穿所述动态范围保持位移的高准确度。一些示范性实施例能够使位置分辨率的改善达到＜10fm，加速度分辨率的改善达到低于1nG。

接下来参考图8，传感器250包括控制器240，将其添加到图5的传感器200，以提供用于控制提供给第二电极阵列129的电压(V_A，V_B和V_C)的幅值的反馈信号。反馈信号的更新速度应当足够快，以确保微分积分器220在其线性输出范围内工作。因而，能够在检测质量块119从初始零值电压位置开始移动超过±π/2弧度之前对第一电极阵列的零值电压位置进行更新或调整。通过提供反馈，从而采用对电相位角的调整迫使微分积分器的输出基本为零(即，在DAC分辨率允许的范围内尽可能近地移动零值电压位置)，可以在仅由电极阵列126和129的尺寸限定的任意位移上跟踪检测质量块119的位置。

参考图9，其示出了控制器240的示范性实施例的操作。在图9的实施例中，控制器240是数字控制器。在方框242中采用模数转换器(ADC)对解调输出电压(V_p)进行采样，从而提供第i个解调输出电压样本(V_p，i)。通过采用足够高的采样和更新频率，能够限制V_p的变化，从而利用ADC的满量程和分辨率。

之后，在方框244中根据K_v-p(微分积分器220和同步解调器230的增益，单位为位移/伏特)对V_p，i缩放，从而将解调输出电压转换成位移的单位。对于V_p，i而言，可以通过下式给出在第i个样本的时刻上第一电极阵列126相对于第二电极阵列129的位移：

${\mathrm{\δ}}_i=\frac{{\mathrm{\θ}}_{c,i}\×P_1}{\mathrm{\π}}+K_{v-p}{V}_{p,i}---\left(11\right)$

其中，P₁是第一电极阵列126的间距，θ_c，i是第i个电相位角的样本(即，零值电压位置)。相应地，可以基于距参考位置(即，θ_p＝0)的位移δ_i确定检测质量块119的位置。此外，可以根据传感器的位移/加速度输入(dx/da)对距参考位置的总位移进行缩放，由此确定加速度。可以通过下式给出加速度：

$A_i=\frac{{\mathrm{\δ}}_i}{\mathrm{dx}/\mathrm{da}}---\left(12\right)$

在方框246中在处于第i个样本的时刻上的前一电相位角(θ_c)的基础上，采用经转换的解调输出信号(K_v-pV_p，i)确定下一电相位角(θ_c，i+1)。

${\mathrm{\θ}}_{c,i+1}={\mathrm{\θ}}_{c,i}\±\frac{{\mathrm{\πK}}_{v-p}{V}_{p,i}}{P_1}---\left(13\right)$

反馈项的符号决定着所跟踪的零值电压位置(即零交叉)具有正斜率还是负斜率。对于正反馈项而言，伺服机构将锁定至正斜率交叉，对于负反馈项而言将锁定至负斜率交叉。之后，可以在方框248中利用下一电相位角θ_c，i+1确定更新的电角位置，并向波形发生器210提供输出。可以在下一解调输出电压样本之前采用下一电相位角使零值电压位置偏移。

例如，参考图10，通过R2R比值DAC提供给第二电极阵列129的电压V_A、V_B和V_C可以具有有限的分辨率。例如，在一个实施例中，R2R比值DAC输出限于12比特分辨率。因此，采用12比特分辨率能够通过4096个分立的阶(steps)或值提供电压V_A、V_B和V_C。在一个实施例中，通过利用查找表，采用下一电相位角θ_c，i+1来确定图10的R2R比值DAC的控制输入。在这一例子中，下一电相位角对应于每一R2R比值DAC的表项目。所述表项目对应于控制器240发送给每一R2R比值DAC的12位控制信号。因此，在这一示范性实施例中，在采用12比特分辨率的情况下只有4096个分立的电相位角位置是可能的。

再次参考图10，一旦R2R比值DAC基于来自控制器240的控制信号更新了电相位角位置，解调输出电压(V_p)就会发生调整，并取下一解调输出电压样本(V_p，i+1)。如前所述，在方框246中再次采用V_p，i+1和θ_c，i+1确定下一电相位角。

可以采用图11的32位位置字400对位置确定的分辨率进行举例说明。如果采用三个最高有效位410(位29-31)指示循环计数(cycle count)，其中，一个循环是一个组长度(L)的偏差，那么可以采用其余的29个位指示小于一个循环(或组长度)的偏差。这样一来，最低有效位(LSB)具有组长度的2^-29倍的分辨率。

可以基于位置字400确定检测质量块119距参考位置的偏差。循环计数410指示已经移动的组长度的数量，其余的29位指示任何剩余的小于整个循环的偏差。可以由电相位角θ_c，i和经转换的解调输出信号(K_v-pV_p，i)确定29个LSB的值。因而，在由图10的R2R比值DAC借助12位提供电压VA、VB和VC的情况下，位置字400的位17-28(420)对应于电相位角的12位控制信号(即，零值电压的位置)。由于R2R比值DAC的12位控制，位置字的17个LSB(0-16)为零。

还可以在经转换的解调输出信号(K_v-pV_p，i)的基础上针对距零值电压位置的偏差进行调整，由此进一步精细确定所述位置。如果采用24位ADC对解调输出电压(V_p)进行采样，那么可以采用K_v-pV_p，i调整位置字400的长达24个LSB 430(位0-23)。从图11可以看出，在24位的经转换的解调输出信号430和12位的电相位角位置420之间存在7位重叠。因而，如果采样速度足够高，从而允许在小于±0.1弧度的位移发生之前对零值电压位置更新，并调整24位ADC从而在大于±0.1弧度的位移范围上对V_p的电压变化采样，那么可以在一个完整循环或组长度内以29位精确度确定检测质量块119的位置。

例如，让位置字440表示电相位角θ_c，i的当前位置(即，零值电压位置)。在本范例中，与参考位置的偏差小于一个循环。由位17-28(420)指示零值电压位置，将17个LSB(位0-16)设为零。测量对应于距零值电压位置的偏差的解调输出电压(Vp)，并将其转换为由450指示的等效位移K_v-pV_p，1。在围绕零值电压位置的V_p的斜率的基础上，可以使位移K_v-pV_p，1 450与当前零位440结合，以确定第一电极阵列126相对于第二电极阵列129的当前位置(字460)(或检测质量块119的当前位移)。之后可以采用位置字460的位17-28(420)更新电角位置θ_c，i+1，从而在下一V_p的采样之前使零值电压位置发生移动。从这一例子可以理解，图9的ADC和图10的R2R比值DAC的位分辨率的变化能够实现改善的位置分辨率以及采样和更新速度的变化，但是应当指出位置缩放因子应当在两个测量子系统之间匹配。

接下来参考图12，其示出了流程图500，该流程图提供了一个用于采用传感器感测加速度的方法的例子，根据本发明的实施例，所述传感器具有如图8中所示的设置在检测质量块上的第一电极阵列和设置在支撑结构的平面表面上的第二电极阵列。或者，可以将图12的流程图500视为描绘了传感器250(图8)的确定第二电极阵列相对于第一电极阵列的位移的步骤。可以通过软件、硬件或者软件和硬件的结合实现由图12的示范性流程图所描绘的传感器250的功能，这一点是可以认识到的。

作为开始，在方框510中，向第二电极阵列施加输入信号，从而为第一电极阵列生成零值电压位置。在图8的示范性实施例中，可以通过波形发生器210完成这一操作。尔后，在方框520中，基于第一电极阵列和第二电极阵列之间的相到相交叉电容生成输出信号。所述输出信号对应于第一电极阵列相对于零值电压位置的位移。在方框530中，在所述输出信号和所述零值电压位置的基础上确定第一电极阵列相对于第二电极阵列的位移。可以采用所述位移确定传感器的加速度。在一个实施例中，可以按照a_i＝δ_i/(dx/da)将位置变化换算成加速度，其中，将δ_i称为零加速度位置。此外，可以采用位移使零值电压位置发生偏移，从而实现改善的位置感测。

尽管在一个实施例中可以在由诸如上文讨论的数字处理器的通用硬件执行的软件或代码中体现传感器250，但是作为替代也可以在专用硬件或者软件/通用硬件和专用硬件的组合当中体现所述传感器250。如果在专用硬件中体现，那么可以将所述传感器实现为采用若干种技术中的任何一种或若干技术的组合的电路或状态机。这些技术可以包括但不限于具有根据一个或多个数据信号的施加而实施各种逻辑功能的逻辑门的离散逻辑电路、具有适当的逻辑门的专用集成电路、可编程门阵列(PGA)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他部件等。这样的技术通常是本领域技术人员公知的，因此在文中不再详细描述。

图9和12的流程图示出了传感器250的实现的架构、功能和操作。如果在软件中体现，那么每一方框可以代表包括用于实现特定逻辑功能的程序指令的模块、区段或代码部分。可以以源代码的形式体现所述程序指令，所述源代码包括以编程语言或机器代码编写的人可读语句，所述语句包括可由诸如计算机系统或其他系统内的处理器的适当执行系统识别的数字指令。可以由所述源代码等转换成所述机器代码。如果在硬件中体现，那么每一方框可以代表实现指定逻辑函数的电路或若干互连电路。

尽管图9和12的流程图示出了特定的执行顺序，但是应当理解执行顺序可以不同于图示的顺序。例如，可以相对于所示出的顺序打乱两个或更多方框的执行顺序。而且，可以同时或者按照部分并发的方式执行图9和12中顺次示出的两个或更多方框。此外，出于增强实用性、计量、性能测量或者提供故障寻查辅助等的目的，可以将任意数量的计数器、状态变量、警告信号量或消息添加至文中描述的逻辑流。应当理解，所有的这样的变化均处于本发明的范围内。

而且，在传感器250包括软件或代码的情况下，可以将其体现在任何计算机可读介质当中，所述计算机可读介质可以由诸如计算机系统或其他系统中的处理器的指令执行系统使用或者与之结合使用。从这一意义上来讲，所述逻辑可以包括(例如)含有指令和声明的语句，所述语句可以从计算机可读介质中取出并由指令执行系统执行。在本发明的背景下，“计算机可读介质”可以是任何可能含有、存储或保持由指令执行系统使用或与之结合使用的传感器250的介质。计算机可读介质可以含有很多物理介质中的任何一种，例如，电子、磁、光、电磁、红外或半导体介质。更为具体的适当的计算机可读介质的例子可以包括但不限于磁带、磁软盘、磁硬盘驱动或光盘。而且，计算机可读介质可以是随机存取存储器(RAM)，例如，其包括静态随机存取存储器(SRAM)和动态随机存取存储器(DRAM)，或者所述计算机可读介质可以是磁随机存取存储器(MRAM)。此外，所述计算机可读介质可以是只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)或其他类型的存储器件。

此外，上述用于对电容变化量化的系统和方法被称为“模拟”方案，其在频域内工作。但是，也可以采用在时域内应用的开关—电容器技术，其通常被称为“数字”方案。具体而言，可以采用数字激励信号，而非采用模拟源电压V_acsin(ωt)，这一点是可以认识到的。

Claims (15)

1.一种传感器，包括：

设置在检测质量块（119）上的第一电极阵列（126）；

设置在支撑结构（103，116）的平面表面上的第二电极阵列（129）；

所述检测质量块经由顺从耦合（123）附着至所述支撑结构，使得所述第一电极阵列定位为基本平行于所述第二电极阵列并面对所述第二电极阵列，其中，所述检测质量块能够相对于所述支撑结构发生位移，所述检测质量块在与所述第二电极阵列基本平行的方向上发生位移；

所述第一电极阵列包括多个由电极（143）构成的第一图案，每一所述第一图案包括至少两个第一电极；

所述第二电极阵列包括多个由电极（146）构成的第二图案，每一所述第二图案包括至少三个第二电极，其中，第二图案中的对应的第二电极共同耦合；以及

电路（210），被配置为向每一所述第二图案中的电极提供输入电压，从而为所述第一电极阵列生成零值电压位置。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述输入电压全都具有公共参考频率，每一输入电压具有可独立调整的幅值，其中，可以通过调整每一输入电压的幅值使所述零值电压位置发生偏移。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，还包括被配置为生成输出信号的电路，所述输出信号对应于所述第一电极阵列相对于所述零值电压位置的位移。

4.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述被配置为生成输出信号的电路包括：

耦合至多个第一图案中的电极的微分积分器（220）；以及

耦合至所述微分积分器的同步解调器（230），所述同步解调器被配置为从所述输出信号解调参考频率。

5.根据权利要求3所述的传感器，还包括被配置为基于所述输出信号调整每一输入电压的幅值，从而使所述零值电压位置发生偏移的电路（240，210）。

6.根据权利要求5所述的传感器，其中，被配置为调整每一输入电压的幅值的电路包括查找表，所述查找表部分基于所述输出信号提供对应于每一输入电压的更新幅度值。

7.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述更新幅度值是对应于每一输入电压的调整幅值的数字控制输入。

8.根据权利要求3所述的传感器，还包括被配置为基于所述输出信号确定所述第一电极阵列相对于所述第二电极阵列的位置的电路（240）。

9.根据权利要求8所述的传感器，还包括被配置为基于所述第一电极阵列相对于所述第二电极阵列的位置确定所述检测质量块的加速度的电路（240）。

10.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第一电极阵列（126）的间距（P₁）与所述第二电极阵列（129）的间距（P₂）的比值等于1.5。

11.一种用于采用传感器感测加速度的方法，所述传感器具有设置在检测质量块（119）上的第一电极阵列（126）和设置在支撑结构（103，116）的平面表面上的第二电极阵列（129），所述检测质量块经由顺从耦合（123）附着至所述支撑结构，使得所述第一电极阵列定位为基本平行于所述第二电极阵列并面对所述第二电极阵列，其中，所述检测质量块能够相对于所述支撑结构发生位移，所述检测质量块在基本平行于所述第二电极阵列的方向上发生位移，所述方法包括如下步骤：

向所述第二电极阵列施加输入信号，从而为所述第一电极阵列生成零值电压位置，所述第二电极阵列包括多个由电极（146）构成的第二图案，每一所述第二图案包括至少三个第二电极；

基于所述第一电极阵列和所述第二电极阵列之间的相到相交叉电容生成输出信号，所述第一电极阵列包括多个由电极（143）构成的第一图案，每一所述第一图案包括至少两个第一电极，其中，所述第一图案中的对应的第一电极共同耦合，其中，输出信号对应于所述第一电极阵列相对于零值电压位置的位移；以及

基于所述输出信号和所述零值电压位置确定所述第一电极阵列相对于所述第二电极阵列的位移。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述输入信号包括针对每一所述第二图案中的电极的输入电压，所述输入电压全都具有公共参考频率，每一输入电压具有可独立调整的幅值，其中，可以通过调整每一输入电压的幅值使所述零值电压位置发生偏移。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括基于所述输出信号调整每一输入电压的幅值，从而使所述零值电压位置发生偏移。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过部分基于所述输出信号提供对应于每一输入电压的更新幅度值，采用查找表调整每一输入电压的幅值。

15.根据权利要求11所述的方法，还包括基于所述第一电极阵列相对于所述第二电极阵列的位移确定所述检测质量块的加速度。