CN103308721A - 一种惯性检测元件的电容读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种惯性检测元件的电容读出电路，包括：前置放大器的输入端连接惯性检测元件的信号输出端，前置放大器的输出端连接第一采样保持器和第二采样保持器；前置放大器用于将惯性检测元件的输出信号进行前置放大后输出给第一采样保持器和第二采样保持器；第一采样保持器的输出端连接差动放大器的第一输入端，第二采样保持器的输出端连接差动放大器的第二输入端；第一采样保持器将惯性检测元件的输出信号传输给差动放大器的第一输入端，第二采样保持器将惯性检测元件的输出信号传输给差动放大器的第二输入端；差动放大器的输出电压为惯性检测元件的电压信号。该电容读出电路的输出电压与质量块的位移是线性关系，而且不存在电弹簧效应。

Description

一种惯性检测元件的电容读出电路

技术领域

本发明涉及惯性检测技术领域，特别涉及一种惯性检测元件的电容读出电路。

背景技术

惯性检测元件一般包括加速度传感器和陀螺仪等惯性敏感元件，由这些惯性检测元件实时测量运载体相对于地面运动的加速度等参数，以确定运载体的位置和地球重力场参数。

下面以MEMS(Micro Electro Mechanical System)加速度传感器为例进行介绍。

MEMS加速度传感器是通过微加工工艺在硅片上加工成形的惯性检测元件。典型的MEMS加速度敏感元件的机械结构为质量块-弹簧结构。如图1所示，质量块200由一个或多个弹性梁300悬挂在惯性检测元件的框架100中。图1中以平板型质量块为例进行介绍。

质量块200运动敏感方向垂直于平板型质量块的平面。质量块200上下两面有两个互相导通并与质量块200联动的平面电极，分别为第一电极201和第二电极202。与质量块上下两面电极相对的固定框架面上分别有两个固定平面电极，分别为上固定电极101和下固定电极102。上固定电极101和下固定电极102与第一电极201和第二电极202平行并分别形成两个面积相等的平板电容器。

这两个平板电容器的间距取决于质量块200的位置。在理想情况下质量块200悬挂的平衡位置是使两个平板电容器的间距相等的位置。质量块200偏离平衡位置的位移会使两个平板电容器的间距产生差动变化，即一个平板电容器的间距增加，同时使另一个平板电容器的间距减小。

由于平板电容器的电容量C表达式为：

$C=\frac{\mathrm{\ϵA}}{d}---\left(1\right)$

其中，ε为介电常数，A为电容极板面积，d为电容极板间距。

质量块200的位移同时使两个平板电容器的电容量产生差动变化，形成变间距式差动电容结构。其电容差为：

$\mathrm{\ΔC}=\frac{\mathrm{\ϵA}}{(d_0-x)}-\frac{\mathrm{\ϵA}}{(d_0-x)}---\left(2\right)$

其中，d₀为质量块200处于中间位置时，上固定电极101和下固定电极102分别与第一电极201和第二电极202的名义距离。

利用电容读出电路可以将电容转换为电压，通过输出电压来代表（反映）质量块的位移。

下面介绍现有技术中针对图1所示的加速度传感器的差动电容检测电路。

参见图2，该图为现有技术中的MEMS加速度传感器差动电容检测电路示意图。其中，C_T和C_B分别代表传感器差动电容结构的第一差动电容和第二差动电容，C_F为读出电路的反馈电容。

利用两个交替的时钟信号（第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2）来控制加在上下固定电极上的驱动电压，该驱动电压包括正相驱动电压V_R和反相驱动电压-V_R；如图2所示，Φ1和Φ2为互补的时钟信号，即其分别控制的开关是交替导通的。如图3所示，Φ1和Φ2在一个周期内的时序图。

图2采用的原理是使用双相不重叠时钟和开关电容电路检测传感器的电容差。

下面结合图2、图4a和图4b分析其具体的工作原理。

当时钟信号Φ1有效时，即Φ1高电平有效时。图2可以等效为图4a的形式。

由图4a的电路可以获得以下表达式：

q_T(Φ₁)=C_TV_R    （3）

q_B(Φ₁)=-C_BV_R   （4）

q_F(Φ₁)=0     （5）

其中，q_T、q_B、q_F分别代表C_T、C_B、C_F上电荷量。

当时钟信号Φ2有效时，即Φ2高电平有效时。图2可以等效为图4b的形式。

由图4b的电路可以获得以下表达式：

q_T(Φ₂)=-C_TV_R    （6）

q_B(Φ₂)=C_BV_R    （7）

q_F(Φ₂)=C_FV_o    （8）

由于q_F(Φ₂)=q_T(Φ₂)-q_T(Φ₁)+q_B(Φ₂)-q_B(Φ₁)    （9）

所以，将公式（3）-（8）带入公式（9），可得：

C_FV_o=-C_TV_R-C_TV_R+C_BV_R+C_BV_R   （10）

由（10）变形可得：

$V_o=-2V_R\frac{(C_T-C_B)}{C_F}=-2V_R\frac{\mathrm{\ΔC}}{C_F}---\left(11\right)$

从公式（11）可以看出差动电容检测电路的输出电压V_O与电容差ΔC之间是线性关系，但是电容差ΔC与质量块的位移x之间是非线性关系。

$\mathrm{\ΔC}=\frac{\mathrm{\ϵA}}{(d_0-x)}-\frac{\mathrm{\ϵA}}{(d_0-x)}---\left(12\right)$

$V_o=-\frac{2\mathrm{\ΔC}}{C_F}{V}_R=-\frac{2V_R}{C_F}[\frac{\mathrm{\ϵA}}{(d_0-x)}-\frac{\mathrm{\ϵA}}{(d_0+x)}]---\left(13\right)$

从公式（13）可以看出V_O与x也是非线性的。

另外，检测电路工作时施加在差动电容结构上的正相和反相驱动电压±V_R会产生与机械弹簧作用相反的电弹簧效应。平板电容器的静电力可以表示为：

$F=\frac{\mathrm{\ϵA}{V}_R^2}{2d^2}---\left(14\right)$

由（14）可以得到作用在差动电容结构质量块上的静电力为：

$F_e=\frac{\mathrm{\ϵA}{V}_R^2}{2{(d_0-x)}^2}-\frac{\mathrm{\ϵA}{V}_R^2}{2{(d_0+x)}^2}---\left(15\right)$

电弹簧系数为：

$k_e=\frac{d{F}_e}{\mathrm{dx}}=-\frac{d}{\mathrm{dx}}\frac{\mathrm{\ϵA}{V}_R^2}{2}[\frac{1}{{(d_0-x)}^2}-\frac{1}{{(d_0+x)}^2}]---\left(16\right)$

$k_e\≈-\frac{2\mathrm{\ϵA}{V}_R^2}{d^3}---\left(17\right)$

电弹簧系数与机械弹簧系数符号相反，为负弹性系数。

应用于MEMS加速度敏感元件开环传递函数及Q值测试时，由于电弹簧效应的影响，实际测量得到的谐振频率为：

${\mathrm{\ω}}_r=\sqrt{\frac{k+k_e}{m}}=\sqrt{\frac{k}{m}(1+\frac{k_e}{k})}={\mathrm{\ω}}_0\sqrt{(1+\frac{k_e}{k})}---\left(18\right)$

当k_e<0时，可以得到：

$\frac{{\mathrm{\&omega;}}_r}{{\mathrm{\&omega;}}_0}=\sqrt{(1+\frac{k_e}{k})}---\left(19\right)$

ω_r<ω₀    （20）

即在电弹簧效应的影响下测量得到的谐振频率总是低于被测器件的实际谐振频率。如表1所示是对一个加速度传感器进行开环传递函数测试时得到的传感器谐振频率和驱动电压V_R的关系。

表1 实测系统谐振频率和驱动电压VR的关系

VR（V）	谐振频率（Hz）
		0.3	881
0.4	880
		0.5	877
0.6	873
		0.7	869
0.8	864
		0.9	857
1.0	852

从表1上可以看出，由驱动电压产生的电弹簧效应影响了测量的结果，减小驱动电压会减小电弹簧效应对测量的影响，但是同时会降低测量电路的信噪比。

综上所述，现有技术中的差动电容读出电路的输出电压与质量块的位移是非线性关系，而且存在电弹簧效应。

发明内容

本发明实施例提供一种惯性检测元件的电容读出电路，电容读出电路的输出电压与质量块的位移是线性关系，而且不存在电弹簧效应。

本发明实施例提供一种惯性检测元件的电容读出电路，包括：前置放大器、第一采样保持器、第二采样保持器和差动放大器；

所述前置放大器的输入端连接惯性检测元件的信号输出端，所述前置放大器的输出端连接第一采样保持器和第二采样保持器；所述前置放大器用于将惯性检测元件的输出信号进行前置放大后输出给所述第一采样保持器和第二采样保持器；

所述第一采样保持器的输出端连接所述差动放大器的第一输入端，所述第二采样保持器的输出端连接所述差动放大器的第二输入端；

所述第一采样保持器将惯性检测元件的输出信号传输给所述差动放大器的第一输入端，所述第二采样保持器将惯性检测元件的输出信号传输给所述差动放大器的第二输入端；

所述差动放大器的输出电压为所述惯性检测元件的电压信号。

优选地，所述第一输入端为差动放大器的正相输入端，所述第二输入端为差动放大器的反相输入端。

优选地，还包括：第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；

所述惯性检测元件中差动电容结构的第一差动电容通过所述第一开关连接正相驱动电压V_R；所述惯性检测元件中差动电容结构的第一差动电容通过所述第二开关连接反相驱动电压-V_R；

所述惯性检测元件中差动电容结构的第二差动电容通过第三开关连接反相驱动电压-V_R；所述惯性检测元件中差动电容结构的第二差动电容通过第四开关连接正相驱动电压V_R；

所述第一开关和第三开关的开关状态由第一时钟信号驱动；

所述第二开关和第四开关的开关状态由第二时钟信号驱动；

所述第一时钟信号和第二时钟信号互补。

优选地，所述第一采样保持器包括：第五开关和第一电容；

所述第五开关的一端连接所述前置放大器的输出端，所述第五开关的另一端连接所述差动放大器的第一输入端；

所述差动放大器的第一输入端通过所述第一电容接地；

所述第五开关的开关状态由第三时钟信号驱动。

优选地，所述第二采样保持器包括：第六开关和第二电容；

所述第六开关的一端连接所述前置放大器的输出端，所述第六开关的另一端连接所述差动放大器的第二输入端；

所述差动放大器的第二输入端通过所述第二电容接地；

所述第六开关的开关状态由第四时钟信号驱动；

所述第三时钟信号和第四时钟信号在所述第一时钟信号的一个周期内不同时导通。

优选地，所述差动放大器为仪表放大器。

以上技术方案，采用两个采样保持器，将惯性检测元件的输出电压保持在差动放大器的输入端，利用差动放大器来对两个输入端的电压差进行放大，差动放大器的输出电压V₀正比于质量块的位移x，即该电路的输出信号与质量块的位移为线性关系。另外，本发明提供的电路，质量块所受到的两个静电力与位移无关，并且大小相等，方向相反，因此始终互相抵消为零，即不存在电弹簧效应，进而不会影响系统谐振频率的测量结果。

附图说明

图1是一种典型变间距式MEMS加速度传感器结构示意图；

图2是现有技术中的MEMS加速度传感器差动电容检测电路示意图；

图3是时钟信号Φ1和Φ2在一个周期内的时序图；

图4a是时钟信号Φ1有效时，图2的等效图；

图4b是时钟信号Φ2有效时，图2的等效图；

图5是现有技术中驱动电压和系统谐振频率的关系图；

图6是本发明提供的惯性检测元件的电容读出电路实施例一示意图；

图7是本发明提供的惯性检测元件的电容读出电路实施例二示意图；

图8是本发明提供的时钟信号时序图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参见图6，该图为本发明提供的惯性检测元件的电容读出电路实施例一示意图。

本实施例提供的惯性检测元件的电容读出电路，包括：前置放大器Ap1、第一采样保持器600、第二采样保持器700和差动放大器Ap2；

G_b为前置放大器Ap1的增益；G_i为差动放大器Ap2的增益。

所述前置放大器Ap1的输入端连接惯性检测元件的信号输出端，所述前置放大器Ap1的输出端连接第一采样保持器600和第二采样保持器700；所述前置放大器Ap1用于将惯性检测元件的输出信号进行前置放大后输出给所述第一采样保持器600和第二采样保持器700；

所述第一采样保持器600的输出端连接所述差动放大器Ap2的第一输入端，所述第二采样保持器700的输出端连接所述差动放大器Ap2的第二输入端；

所述第一采样保持器600将惯性检测元件的输出信号传输给所述差动放大器Ap2的第一输入端，所述第二采样保持器700将惯性检测元件的输出信号传输给所述差动放大器Ap2的第二输入端；

所述差动放大器Ap2的输出电压为所述惯性检测元件的电压信号V_o。

下面结合公式详细分析本发明提供的读出电路的工作原理。

与现有技术相同，本发明提供的读出电路中还包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4；

所述惯性检测元件中差动电容结构的第一差动电容C_T通过所述第一开关S1连接正相驱动电压V_R；所述惯性检测元件中差动电容结构的第一差动电容C_T通过所述第二开关S2连接反相驱动电压-V_R；

所述惯性检测元件中差动电容结构的第二差动电容C_B通过第三开关S3连接反相驱动电压-V_R；所述惯性检测元件中差动电容结构的第二差动电容C_B通过第四开关S4连接正相驱动电压V_R；

所述第一开关S1和第三开关S3的开关状态由第一时钟信号Φ1驱动；

所述第二开关S2和第四开关S4的开关状态由第二时钟信号Φ2驱动；

所述第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2互补。

当第一时钟信号Φ1有效时，由图6所示的电路可以获得：

V_T(Φ₁)+V_B(Φ₁)=2V_R    （21）

V_C(Φ₁)=V_B(Φ₁)-V_R

$=V_B\left({\mathrm{\&Phi;}}_1\right)-\frac{V_T\left({\mathrm{\&Phi;}}_1\right)+V_B\left({\mathrm{\&Phi;}}_1\right)}{2}$

$=\frac{V_B\left({\mathrm{\&Phi;}}_1\right)-V_T\left({\mathrm{\&Phi;}}_1\right)}{2}$

$=\frac{V_B\left({\mathrm{\&Phi;}}_1\right)-V_T\left({\mathrm{\&Phi;}}_1\right)}{V_T\left({\mathrm{\&Phi;}}_1\right)+V_B\left({\mathrm{\&Phi;}}_1\right)}{V}_R---\left(22\right)$

$=\frac{C_T-C_B}{C_T+C_B}{V}_R$

$=V_R\frac{x}{d_0}$

其中，V_T、V_B分别为C_T、C_B上的电压差，V_C为传感器信号输出端电压。

V_C（Φ₁）通过前置放大器Ap1和第一采样保持器600输送到差动放大器Ap2的正相输入端。

当第二时钟信号Φ₂有效时，由图6所示的电路可以获得：

$V_C\left({\mathrm{\&Phi;}}_2\right)=-V_R\frac{C_T\left({\mathrm{\&Phi;}}_2\right)-C_B\left({\mathrm{\&Phi;}}_2\right)}{C_T\left({\mathrm{\&Phi;}}_2\right)+C_B\left({\mathrm{\&Phi;}}_2\right)}---\left(23\right)$

$=-V_R\frac{x}{d_0}$

V_C（Φ₂）通过前置放大器Ap1和第二采样保持器700接到差动放大器Ap2的反相输入端。

需要说明的是，本发明实施例中的差动放大器Ap2可以采用仪表放大器。

综上所述，本发明实施例提供的差动放大器Ap2的输出电压V₀可以表示为：

$V_0=G[V_C\left({\mathrm{\&Phi;}}_1\right)-V_C\left({\mathrm{\&Phi;}}_2\right)]={2G}_b{G}_i{V}_R\frac{X}{d_0}---\left(24\right)$

从公式（24）中可以看出，本发明实施例提供的电路的输出电压V₀正比于质量块的位移x。

下面分析本发明实施例提供的电路是否存在电弹簧效应。

$C_T=\frac{\mathrm{\&epsiv;A}}{(d_0-x)}---\left(25\right)$

$C_B=\frac{\mathrm{\&epsiv;A}}{(d_0+x)}---\left(26\right)$

C_TV_T=C_BV_B    （27）

由公式（25）-（27）可以获得：

$V_T=\frac{C_B{V}_B}{C_T}=\frac{(d_0-x)}{(d_0+x)}{V}_B---\left(28\right)$

静电力F_e=F_T-F_B；

其中，F_T为上固定电极与质量块之间的静电力：

$F_T=\frac{\mathrm{\&epsiv;A}{V}_T^2}{2{(d_0-x)}^2}---\left(29\right)$

F_B为下固定电极与质量块之间的静电力：

$F_B=\frac{\mathrm{\&epsiv;A}{V}_B^2}{2{(d_0+x)}^2}---\left(30\right)$

$F_T=\frac{\mathrm{\&epsiv;A}{V}_T^2}{{2(d_0-x)}^2}=\frac{\mathrm{\&epsiv;A}}{{2(d_0-x)}^2}[\frac{(d_0-x)}{(d_0+x)}{]}^2{V}_B^2=\frac{\mathrm{\&epsiv;A}{V}_B^2}{{2(d_0-x)}^2}=F_B---\left(31\right)$

所以，F_e=F_T-F_B=0。

差动电容读出电路的电弹簧系数为：

$k_e=\frac{d{F}_e}{\mathrm{dx}}=0$

以上结果可以表明，本发明实施例提供的电容读出电路，无论质量块的位移x（中间极板）处于任何位置，质量块所受到的静电力相等并且方向相反。因此，应用本发明提供的电路，不存在电弹簧效应，进而也不会影响系统谐振频率的测量结果。

综上所述，本发明实施例提供的惯性检测元件的电容读出电路，采用两个采样保持器，将惯性检测元件的输出电压保持在差动放大器的输入端，利用差动放大器来对两个输入端的电压进行差分放大，差动放大器的输出电压V₀正比于质量块的位移x，即该电路的输出信号与质量块的位移为线性关系，测量比非线性的要准确。另外，本发明提供的电路，质量块所受到的两个静电力大小相等，方向相反，因此互相抵消为零，即不存在电弹簧效应，进而不会影响系统谐振频率的测量结果。

下面结合附图来详细介绍本发明实施例提供的惯性检测元件的电容读出电路中的第一采样保持器和第二采样保持器的实现方式。

参见图7，该图为本发明提供的惯性检测元件的电容读出电路实施例二示意图。

本实施例中，所述第一采样保持器包括：第五开关S5和第一电容C1；

所述第五开关S5的一端连接所述前置放大器Ap1的输出端，所述第五开关S5的另一端连接所述差动放大器Ap2的第一输入端；

所述差动放大器Ap2的第一输入端通过所述第一电容C1接地；

所述第五开关S5的开关状态由第三时钟信号Φ_SH1驱动。

所述第二采样保持器包括：第六开关S6和第二电容C2；

所述第六开关S6的一端连接所述前置放大器Ap1的输出端，所述第六开关S6的另一端连接所述差动放大器Ap2的第二输入端；

所述差动放大器Ap2的第二输入端通过所述第二电容C2接地；

所述第六开关S6的开关状态由第四时钟信号Φ_SH2驱动；

所述第三时钟信号Φ_SH1和第四时钟信号Φ_SH2在所述第一时钟信号Φ1的一个周期内不同时导通。

如图7所示，本实施例中的差动放大器Ap2为仪表放大器，所述第一输入端为仪表放大器Ap2的正相输入端，所述第二输入端为仪表放大器Ap2的反相输入端。

为了使本领域技术人员能够更好地理解和实施本发明的技术方案，下面介绍第一时钟信号至第四时钟信号的时序图。

参见图8，该图为本发明提供的时钟信号时序图。

从图8中可以看出，第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2的周期相同。

在每个时钟周期内。第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2互补，即第一时钟信号Φ1为高电平时，第二时钟信号Φ2为低电平。第一时钟信号Φ1为低电平时，第二时钟信号Φ2为高电平。

需要说明的是，为了实现过程中的效果更好，第二时钟信号Φ2的下降沿需要在第一时钟信号Φ1的上升沿之前。

第三时钟信号Φ_SH1和第四时钟信号Φ_SH2的周期是与第一时钟信号Φ1的周期相同的。并且第三时钟信号Φ_SH1和第四时钟信号Φ_SH2的高电平不重叠，但是，通过第一采样保持器和第二采样保持器可以保证差动放大器两个输入端的电压同时存在，进而差动放大器才可以将两个输入端的电压差进行放大输出。

以上实施例是以变间距差动电容式MEMS传感器为例进行说明的。可以理解的是，本发明实施例提供的电路也同样适用于其他类型的差动电容式MEMS传感器，例如变面积差动电容式MEMS加速度传感器。

本发明提供的读出电路也可以应用于具有差动电容结构的其他惯性检测元件例如MEMS陀螺仪。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已经以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种惯性检测元件的电容读出电路，其特征在于，包括：前置放大器、第一采样保持器、第二采样保持器和差动放大器；

所述前置放大器的输入端连接惯性检测元件的信号输出端，所述前置放大器的输出端连接第一采样保持器和第二采样保持器；所述前置放大器用于将惯性检测元件的输出信号进行前置放大后输出给所述第一采样保持器和第二采样保持器；

所述第一采样保持器的输出端连接所述差动放大器的第一输入端，所述第二采样保持器的输出端连接所述差动放大器的第二输入端；

所述第一采样保持器将惯性检测元件的输出信号传输给所述差动放大器的第一输入端，所述第二采样保持器将惯性检测元件的输出信号传输给所述差动放大器的第二输入端；

所述差动放大器的输出电压为所述惯性检测元件的电压信号。

2.根据权利要求1所述的惯性检测元件的电容读出电路，其特征在于，所述第一输入端为差动放大器的正相输入端，所述第二输入端为差动放大器的反相输入端。

3.根据权利要求1或2所述的惯性检测元件的电容读出电路，其特征在于，还包括：第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；

所述惯性检测元件中差动电容结构的第一差动电容通过所述第一开关连接正相驱动电压V_R；所述惯性检测元件中差动电容结构的第一差动电容通过所述第二开关连接反相驱动电压-V_R；

所述惯性检测元件中差动电容结构的第二差动电容通过第三开关连接反相驱动电压-V_R；所述惯性检测元件中差动电容结构的第二差动电容通过第四开关连接正相驱动电压V_R；

所述第一开关和第三开关的开关状态由第一时钟信号驱动；

所述第二开关和第四开关的开关状态由第二时钟信号驱动；

所述第一时钟信号和第二时钟信号互补。

4.根据权利要求3所述的惯性检测元件的电容读出电路，其特征在于，所述第一采样保持器包括：第五开关和第一电容；

所述第五开关的一端连接所述前置放大器的输出端，所述第五开关的另一端连接所述差动放大器的第一输入端；

所述差动放大器的第一输入端通过所述第一电容接地；

所述第五开关的开关状态由第三时钟信号驱动。

5.根据权利要求4所述的惯性检测元件的电容读出电路，其特征在于，所述第二采样保持器包括：第六开关和第二电容；

所述第六开关的一端连接所述前置放大器的输出端，所述第六开关的另一端连接所述差动放大器的第二输入端；

所述差动放大器的第二输入端通过所述第二电容接地；

所述第六开关的开关状态由第四时钟信号驱动；

所述第三时钟信号和第四时钟信号在所述第一时钟信号的一个周期内不同时导通。

6.根据权利要求2所述的惯性检测元件的电容读出电路，其特征在于，所述差动放大器为仪表放大器。

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