CN103842778B - 用于电容传感器的表面电荷减少技术 - Google Patents

用于电容传感器的表面电荷减少技术 Download PDF

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Abstract

公开了一种差分电容换能器系统，其包括第一和第二电容芯（CA，CB）以及斩波系统。所述第一芯（CA）包括耦合至第一电容器（C1A）的第一输入端（A）、耦合至第二电容器（C2A）的第二输入端（B）以及第一输出端（E）。所述第二芯（CB）包括耦合至第三电容器（C1B）的第三输入端（C）、耦合至第四电容器（C2B）的第四输入端（D）以及第二输出端（F）。所述斩波系统具有耦合至正信号的第一和第四输入端以及耦合至负信号的第二和第三输入端。随着所述斩波系统在高态和低态之间切换，其将所述芯输入端耦合至不同极性的信号，从而降低了电荷累积。所述不同极性的信号可以具有基本相同的幅值。可以将所述斩波器时钟频率和主时钟频率选择为在所述芯输入上提供基本上为零的平均电压。所述系统可以包括积分电路和差分求和电路。

Description

用于电容传感器的表面电荷减少技术
技术领域
本专利涉及电容换能器，更具体而言涉及用于降低电容换能器中的表面电荷累积的技术。
背景技术
换能器将一般的物理量（例如，加速度、压力等）转换成能够通过电子电路进行处理的量。具体而言，电容换能器生成对应于测得的输入信号的幅值的电容变化。电容换能器的读出电路将所述换能器生成的电容变化变换为电信号。在所述过程中，所述电路向换能器电极施加电压波形。
电容加速度计，即用于测量加速度的电容换能器包括机械感测元件和读出电路。图1示出了电容加速度计的机械感测元件100的示范性实施例。在这一实施例中，所述机械感测元件100包括悬置于第一弹簧104和第二弹簧106之间的质量块102、第一电极110和第二电极112。质量块102的近端耦合至第一弹簧104，将质量块102的远端耦合至第二弹簧106。所述第一弹簧104具有两个末端：第一末端耦合至质量块102的近端，第二末端耦合至衬底。第二弹簧106具有两个末端：第一末端耦合至质量块102的远端，第二末端耦合至所述衬底。将公共电极M耦合至质量块102，并使其随质量块102一起相对于所述衬底移动。所述第一和第二电极110、112是相对于衬底固定的。在这一实施例中，将正参考电压Vs施加至第一电极110，将负参考电压-Vs施加至第二电极112。在所述第一电极110和公共电极M之间形成第一可变电容器C1，在所述第二电极112和公共电极M之间形成第二可变电容器C2。
在这一实施例中，在所述系统休止时，在第一电极110和公共电极M之间以及在第二电极112和公共电极M之间存在基本相等的标称间隙，从而在第一可变电容器C1和第二可变电容器C2中建立基本相等的电容。输入加速度使质量块102相对于所述衬底移动，其改变所述电极之间的缝隙，因而改变可变电容器C1、C2的电容。沿箭头120的方向的加速度使质量块102偏移与输入加速度成比例的距离Δx。质量块102的这一移动使第一电极110和公共电极M之间的距离增大到g0+Δx，使第二电极112和公共电极M之间的距离降低至g0-Δx，这改变了电容器C1和C2的电容。通过下式确定可变电容器C1和C2的电容C：
其中，ε0是介电常数，A是电容板面积（其向纸内延伸），g0是标称间隙，Δx是由于加速度引起的位移。读出电路基于电容器C1和C2中的电容变化确定Δx的值。
图2是自平衡电容电桥200的示范性实施例的图示。图2所示的开关电容器实现的优点在于在不需要高电阻路径的情况下对输入进行直接的DC偏置，并且随着过程的推移和温度的变化具有稳定明晰的传递函数。其还提供了离散时间输出信号，可以通过模数转换器（ADC）使所述信号直接数字化。图2示出了自平衡电桥的单端实施例。
自平衡电桥200包括传感器芯以及读出或接口电路。传感器芯210表示电容传感器元件，例如，图1所示的感测元件100或者本领域已知的各种其他电容传感器元件中的一种。传感器芯210包括两个可变电容器C1和C2，它们共享耦合至传感器芯210的输出的公共节点M。读出电路包括正向路径，其将传感器芯210的输出通过提供增益的积分器222传送至输出V0。在这一实施例中，积分器222包括具有积分电容器Ci的放大器224。所述自平衡电桥200还包括将输出电压V0反馈至传感器芯210的第一反馈路径230和第二反馈路径240。第一反馈路径230将输出电压V0通过第一反相放大器232反馈至第一求和节点234。所述第一求和节点234对反相输出电压-V0和反相参考电压-Vs求和，并将所得到的电压-Vs-V0输出至第一可变传感器电容器C1。所述第二反馈路径240将输出电压V0通过第二反相放大器242反馈至第二求和节点244。第二求和节点244对反相输出电压-V0和参考电压Vs求和，并将所得到的电压Vs-V0反馈至第二可变传感器电容器C2。
自平衡电桥200尝试使两个传感器电容器C1和C2上的绝对电荷相等。在这些条件下，输出电压与测得电容器的差与和之间的比值成比例。
测量上述比值对于各种应用都很有利，加速度传感器只是一个具体的例子。
图3示出了图2的电桥电容器C1和C2两端的电压波形。显然，电容器C1两端的VC1和电容器C2两端的电压VC2两者都具有非零均值。在微机械加工换能器中跨越电极对施加具有非零均值的电压波形将导致表面电荷的累积，从而干扰系统的操作，这是公知的。表面电荷累积的一个具体的后果是DC偏移的漂移，在很多应用当中DC偏移都是一个重要的参数。
图2的读出电路的第二个缺点是通过单条信号线212将所述信号传送至放大器的输入端。而且一般还已知，这样的“单端”实现易受不希望出现的干扰的影响。差分信号传送是对这一问题的标准解决方案，如图4所示。
图4示出了差分自平衡电容电桥系统400的示范性实施例。差分系统400包括感测元件402、双正向路径410以及两个双反馈路径420、430。在差分系统400中，将换能器402实现为两个单独的芯，即第一芯CA和第二芯CB。第一芯CA包括可变电容器C1A和C2A，它们共享耦合至第一芯CA的输出端的公共节点。第二芯CB包括可变电容器C1B和C2B，它们共享耦合至第二芯CB的输出端的公共节点。两个芯的对应电容器按照基本上等同的方式对输入信号做出反应（即，C1A=C1B，C2A=C2B）。但是，通过所述两个芯处理的电信号具有相反的极性。在这样的设计当中，任何外部干扰都是作为“公共模式”信号出现的，并将受到读出电路的拒绝。
正向路径410取得来自感测元件402的两个芯的输出信号，并使其通过积分器412，从而生成输出信号V0。第一反馈路径420将输出信号V0反馈至第一求和节点422。所述第一求和节点422使输出信号反相并对它和正参考电压Vs求和，以生成第一和信号-V0+Vs，其中，将电压(-V0+Vs)/2提供给第一芯CA的电容器C1A，将电压-(-V0+Vs)/2提供给第二芯CB的电容器C1B。第二反馈路径430将输出信号V0反馈至第二求和节点432。所述第二求和节点432使输出信号反相并对它和反相参考电压-Vs求和，以生成第二和信号-V0-Vs，其中，将电压(-V0-Vs)/2提供给第一芯CA的电容器C2A，将电压-(-V0-Vs)/2提供给第二芯CB的电容器C2B。
图5示出了对于图4中的差分系统400而言换能器芯402的电桥电容器两端的电压波形。再次可以明显看出，所述波形具有非零均值，因而在所述差分实现中还是存在表面充电问题。
希望跨越换能器中的电极的平均电压基本上为零，以降低表面电荷累积，这样将减少DC偏移的漂移。
发明内容
公开了一种感测物理量的差分电容换能器系统，其包括第一和第二电容芯以及斩波系统。所述第一和第二电容芯分别基于所述物理量生成第一和第二芯输出。所述第一电容芯包括第一可变电容器、第二可变电容器、耦合至所述第一可变电容器的第一芯输入端、耦合至所述第二可变电容器的第二芯输入端以及耦合至所述第一可变电容器和所述第二可变电容器之间的第一公共节点的第一芯输出端。所述第二电容芯包括第三可变电容器、第四可变电容器、耦合至所述第三可变电容器的第三芯输入端、耦合至所述第四可变电容器的第四芯输入端以及耦合至所述第三可变电容器和所述第四可变电容器之间的第二公共节点的第二芯输出端。所述斩波系统具有高态和低态，并且耦合至所述第一和第二电容芯。所述斩波系统具有耦合至第一正信号的第一斩波输入端、耦合至第二负信号的第二斩波输入端、耦合至第一负信号的第三斩波输入端、耦合至第二正信号的第四斩波输入端、第一斩波输出端和第二斩波输出端。在所述斩波系统处于高态时，所述第一斩波输入端耦合至所述第一芯输入端，所述第二斩波输入端耦合至所述第二芯输入端，所述第三斩波输入端耦合至所述第三芯输入端，所述第四斩波输入端耦合至所述第四芯输入端，所述第一斩波输出端耦合至所述第一芯输出端，所述第二斩波输出端耦合至所述第二芯输出端。在所述斩波系统处于低态时，所述第一斩波输入端耦合至所述第三芯输入端，所述第二斩波输入端耦合至所述第四芯输入端，所述第三斩波输入端耦合至所述第一芯输入端，所述第四斩波输入端耦合至所述第二芯输入端，所述第一斩波输出端耦合至所述第二芯输出端，所述第二斩波输出端耦合至所述第一芯输出端。所述第一正信号与所述第一负信号可以具有基本相同的幅值和相反的极性，所述第二负信号与所述第二正信号可以具有基本相同的幅值和相反的极性。
所述差分电容换能器系统还可以包括接收所述第一和第二芯输出并生成换能器信号的积分电路。所述差分电容换能器系统还可以包括第一和第二差分求和电路。所述第一差分求和电路对所述换能器信号和参考电压求和，并生成所述第一正信号和第一负信号。所述第二差分求和电路对所述换能器信号与反相参考电压求和，并生成所述第二正信号和第二负信号。所述参考电压和反相参考电压具有基本相同的幅值和相反的极性。所述差分电容换能器系统还可以包括将所述换能器信号反馈回所述第一差分求和电路的第一反馈路径以及将所述换能器信号反馈回所述第二差分求和电路的第二反馈路径。
所述第一可变电容器和所述第三可变电容器可以对所述物理量做出基本相同的反应，所述第二可变电容器和所述第四可变电容器可以对所述物理量做出基本相同的反应。所述第一电容芯可以包括第一固定电容板、第二固定电容板、第一可移动电容板和第二可移动电容板；其中，所述第一可移动电容板耦合至所述第二可移动电容板；所述第一可变电容器是由所述第一固定电容板和所述第一可移动电容板形成的；所述第二可变电容器是由所述第二固定电容板和所述第二可移动电容板形成的。所述第二电容芯可以包括第三固定电容板、第四固定电容板、第三可移动电容板和第四可移动电容板；其中，所述第三可移动电容板耦合至所述第四可移动电容板；所述第三可变电容器是由所述第三固定电容板和所述第三可移动电容板形成的；所述第四可变电容器是由所述第四固定电容板和所述第四可移动电容板形成的。所述第一可移动电容板可以耦合至所述第三可移动电容板。
所述差分电容换能器系统还可以包括具有主时钟频率的主时钟以及具有斩波时钟频率的斩波时钟。所述主时钟能够控制所述第一和第二电容器芯的充电和放电，所述斩波时钟能够控制所述斩波系统何时处于高态和低态。可以通过选择所述主时钟频率和所述斩波时钟频率使得所述第一芯输入端、第二芯输入端、第三芯输入端和第四芯输入端的每者上的随着时间推移的平均电压基本为零伏。所述主时钟频率可以是所述斩波时钟频率的两倍。
描述了一种感测物理量的电容换能器系统，其包括第一和第二电容芯以及耦合至所述第一和第二电容芯的在高态和低态之间振荡的斩波系统。所述第一和第二电容芯分别生成第一和第二芯输出。所述第一电容芯包括第一可变电容器、第二可变电容器、耦合至所述第一可变电容器的第一芯输入端、耦合至所述第二可变电容器的第二芯输入端以及耦合至所述第一可变电容器和所述第二可变电容器之间的第一公共节点的第一芯输出端。所述第二电容芯包括第三可变电容器、第四可变电容器、耦合至所述第三可变电容器的第三芯输入端、耦合至所述第四可变电容器的第四芯输入端以及耦合至所述第三可变电容器和所述第四可变电容器之间的第二公共节点的第二芯输出端。在所述斩波系统处于低态时，所述第一和第二芯输入端的第一高输入端接收正电压，所述第一和第二芯输入端的第一低输入端接收负电压，所述第三和第四芯输入端的第二高输入端接收正电压，所述第三和第四芯输入端的第二低输入端接收负电压。所述第一高输入端和所述第一低输入端是不同的输入端，所述第二高输入端和所述第二低输入端是不同的输入端。在所述斩波系统处于高态时，所述第一高输入端接收负电压，所述第一低输入端接收正电压，所述第二高输入端接收负电压，所述第二低输入端接收正电压。在所述斩波系统处于低态时，能够基于所述第一和第二芯输出将所述第一高输入端和所述第一低输入端耦合至输出信号，能够将所述第二高输入端耦合至正参考电压，将所述第二低输入端耦合至负参考电压。所述负参考电压与所述正参考电压具有基本相同的幅值和相反的极性。在所述斩波系统处于低态时，能够将所述第一高输入端耦合至所述负参考电压，能够将所述第一低输入端耦合至正参考电压，并且能够将所述第二高输入端和所述第二低输入端耦合至所述输出信号。所述电容换能器系统还可以包括具有反相输入端和非反相输入端的积分电路。所述积分电路可以生成所述输出信号。可以将所述第一芯输出端耦合至所述积分器的反相输入端，并且可以将所述第二芯输出端耦合至所述积分器的非反相输入端。
描述了一种感测物理量的差分电容换能器系统，其包括第一和第二电容芯、斩波系统、输出电路、主时钟和斩波时钟。所述第一和第二电容芯基于所述物理量分别生成第一和第二芯输出。所述第一电容芯包括第一可变电容器、第二可变电容器、耦合至所述第一可变电容器的第一芯输入端、耦合至所述第二可变电容器的第二芯输入端以及耦合至所述第一可变电容器和所述第二可变电容器之间的第一公共节点的第一芯输出端。所述第二电容芯包括第三可变电容器、第四可变电容器、耦合至所述第三可变电容器的第三芯输入端、耦合至所述第四可变电容器的第四芯输入端以及耦合至所述第三可变电容器和所述第四可变电容器之间的第二公共节点的第二芯输出端。所述斩波系统具有高态和低态，并且耦合至所述第一和第二电容芯，所述斩波系统包括耦合至第一正信号的第一斩波输入端、耦合至第二负信号的第二斩波输入端、耦合至第一负信号的第三斩波输入端、耦合至第二正信号的第四斩波输入端、第一斩波输出端和第二斩波输出端。所述输出电路接收所述第一和第二芯输出，并生成换能器信号。所述主时钟具有主时钟频率，并且控制所述第一和第二电容器芯的充电和放电。所述斩波时钟具有斩波时钟频率，其控制所述斩波系统何时处于所述高态和所述低态。在所述斩波系统处于所述高态时，所述第一斩波输入端耦合至所述第一芯输入端，所述第二斩波输入端耦合至所述第二芯输入端，所述第三斩波输入端耦合至所述第三芯输入端，所述第四斩波输入端耦合至所述第四芯输入端，所述第一斩波输出端耦合至所述第一芯输出端，所述第二斩波输出端耦合至所述第二芯输出端。在所述斩波系统处于低态时，所述第一斩波输入端耦合至所述第三芯输入端，所述第二斩波输入端耦合至所述第四芯输入端，所述第三斩波输入耦合至所述第一芯输入端，所述第四斩波输入端耦合至所述第二芯输入端，所述第一斩波输出端耦合至所述第二芯输出端，所述第二斩波输出端耦合至所述第一芯输出端。所述第一正信号与所述第一负信号可以具有基本相同的幅值和相反的极性，所述第二负信号与所述第二正信号可以具有基本相同的幅值和相反的极性。可以通过选择所述主时钟频率和所述斩波时钟频率使得所述第一芯输入端、第二芯输入端、第三芯输入端和第四芯输入端的每者上的随着时间推移的平均电压基本为零伏。所述主时钟频率可以是所述斩波时钟频率的两倍。
所述差分电容换能器系统还可以包括第一和第二差分求和电路。所述第一差分求和电路对所述换能器信号和参考电压求和，并生成所述第一正信号和第一负信号。所述第二差分求和电路对所述换能器信号与反相参考电压求和，并生成所述第二正信号和第二负信号，所述参考电压和所述反相参考电压具有基本相同的幅值和相反的极性。所述第一可变电容器和所述第三可变电容器可以对所述物理量做出基本相同的反应，所述第二可变电容器和所述第四可变电容器可以对所述物理量做出基本相同的反应。
附图说明
通过参考下文中结合附图给出的对本发明的实施例的描述，本发明的上述以及其他特征和目标以及获取它们的方式将变得更加显见，本发明本身也将得到更好的理解，其中：
图1示出了电容换能器的机械感测元件的示范性实施例；
图2是单端自平衡电容电桥的示范性实施例的图示；
图3示出了图2的电桥电容器上的示范性电压波形；
图4是差分自平衡电容电桥的示范性实施例的图示；
图5示出了图4的电桥电容器上的示范性电压波形；
图6示出了差分电路的端子的三种变型：(a)表示标称直接端子连接，(b)表示反相端子连接，以及(c)表示交换端子连接；
图7示出了差分电路的标称直接端子连接和交换端子连接的更加详细的图示；
图8是能够在换能器电容器两端提供基本为零的平均电压的差分自平衡电桥的示范性实施例的示意图；
图9是用于图8的电路的能够在换能器电容器两端提供基本为零的平均电压的示范性时钟控制图；
图10示出了在采用图9的时钟控制图时图8的换能器电容器两端的电压波形；
图11A示出了伪差分电桥的示范性实施例，其使得传感器芯和输出在斩波时钟的基础上产生交替，从而在低斩波状态期间使极性交替变化；以及
图11B示出了高斩波状态期间图11A的伪差分电桥的示范性实施例。
在附图中采用对应的附图标记表示对应的部分。尽管文中阐述的范例通过几种形式说明了本发明的实施例，但是下文公开的实施例并非旨在进行穷举，而且不应将其示为使本发明的范围局限于所公开的确切形式。
具体实施方式
图6表示差分电路，例如，图4的差分电路的三种变型的顶层图。图6（a）表示图4所示的差分电路，如上文所述，其在换能器402中的电极两端具有非零平均电压。图6（b）表示电桥电容器输入受到反相的图4所示的差分电路。其只是反转了电桥电容器上的电压波形的极性，而并没有采取任何措施降低所述电极两端的非零平均电压。图6（c）表示交换了电桥电容器的输入的图4所示的差分电路。其只是将电压波形从芯CA移到了芯CB，并且将电压波形从芯CB移到了CA，同样没有采取任何措施降低所述电极两端的非零平均电压。实质上，图6中的所有三个电路都是相同的。可能希望设计出一种使换能器中的电极两端的平均电压基本为零的电路，从而减少表面电荷累积，并且降低DC偏移的漂移。
图7（a）和7（b）示出了差分系统的两个单独的芯CA和CB，每一芯具有两个可变电容器。芯CA包括可变电容器C1A和C2A，芯CB包括可变电容器C1B和C2B。两个芯的对应电容器按照基本上相同的方式（即，C1A=C1B，C2A=C2B）对输入信号做出反应，并且由于换能器输入的原因朝相同的方向移动。例如，在与图1所示的加速度计类似的加速度计经历加速度输入时，芯CA的公共电极和芯CB的公共电极都朝相同的方向移动。但是，受到所述两个芯处理的电信号具有相反的极性。图7（a）和7（b）示出了至所述芯的四个输入A、B、C、D；以及来自所述芯的两个输出E和F。
图7（a）示出了图4中的电路采用的并且如图6（a）所示的标称直接连接。在图7（a）的配置当中，将可变电容器C1A耦合至输入A，将可变电容器C2A耦合至输入B，将可变电容器C1B耦合至输入C，将可变电容器C2B耦合至输入D，可变电容器C1A和C2A共享耦合至输出E的公共节点，可变电容器C1B和C2B共享耦合至输出F的公共节点。
图7（b）示出了图6（c）所示的交换连接。在图7（b）的配置当中，可变电容器C1A耦合至输入C，可变电容器C2A耦合至输入D，可变电容器C1B耦合至输入A，可变电容器C2B耦合至输入B，可变电容器C1A和C2A共享耦合至输出F的公共节点，可变电容器C1B和C2B共享耦合至输出E的公共节点。
注意，在图7（a）和7（b）的配置当中，交换端子对属于可变电容器，它们在标称上是等同的（即，C1A=C1B，C2A=C2B）。如果按照图7（b）所示的方式而不是图7（a）所示的方式将换能器连接至读出电路，那么所得到的系统在电学上基本上等同于图4的系统，因而将具有相同的传递函数。但是，其重要区别是，在图7（a）的配置当中特定换能器电容器（C1A，C1B，C2A，C2B）两端的电压波形具有与在图7（B）的配置中相同的换能器电容器两端的电压波形相反的极性。为了在所述换能器电容器两端获得零均值电压波形，可以将图4的读出电路重新设计为使其在图7（a）和图7（b）的换能器配置之间周期性地切换。
图8示出了能够在换能器电容器两端提供基本为零的平均电压的差分自平衡电桥的示范性实施例。图8的电路与图4的电路类似，只是增加了斩波开关，其将交换换能器芯CA和CB的输入和输出端子。在斩波时钟φch处于高态时，那么换能器端子处于图7（a）所示的配置当中，在斩波时钟处于低态时，换能器开关被交换至图7（b）所示的配置。因而，特定换能器电容器两端的电压兼具正负极性，它们按照斩波时钟频率切换，因而能够在每一换能器电容器上建立基本上为零的平均电压。通过周期性地交换所述端子，例如，每隔一个周期，那么所述换能器电容器将各经历正电压和负电压，从而得到基本为零的平均电压。
图9示出了图8的电路的示范性时钟控制图，其中，所述斩波时钟φch（切换或交换换能器端子）的频率是主时钟的标称采样频率的一半。所述主时钟在电容器聚集电荷的充电相位φ1和电容器通过积分器412释放电荷的放电相位φ2之间切换。也可以采用其他在换能器电容器上创建基本为零的平均电压的切换频率。
图10示出了在采用图9的时钟控制图时图8的换能器电容器两端的电压波形。在斩波时钟φch处于高态时，那么换能器端子按照图7（a）所示连接，换能器电容器C1A、C1B、C2A和C2B两端的电压与图5中所示的相同，即VC1A和VC2B具有正极性，VC1B和VC2A具有负极性。因而，在斩波时钟φch切换至低态时，换能器端子被交换为图7（b）所示。其交换换能器芯端子，从而交换电容器C1A和C1B两端的电压，并且交换电容器C2A和C2B两端的电压。从图10中显然可以看出，电容器C1A、C1B、C2A和C2B中的每者两端的平均电压现在为零。这有利于避免电容器上的表面电荷累积，从而避免电荷方面的漂移。
图11A和11B示出了伪差分电桥的示范性实施例，其在斩波时钟的基础上交替换能器芯和输出，从而使电容器上的极性交替变化，由此减少电荷累积和偏置。图11A示出了处于低斩波状态期间的系统，图11B示出了处于高斩波状态期间的系统。为简单起见没有示出斩波开关。在任何特定的斩波时钟相位期间只有一个换能器芯，CA或CB接收到反馈的输出信号，另一个换能器芯被置于哑态（dummy state）。
在低斩波相位内，即在11A中，芯CA接收反馈的输出信号，芯CB处于只是接收参考信号的哑态。在这一状态中，可变电容器C1A接收反馈信号Vs-V0，可变电容器C2A接收反馈信号-Vs-V0，可变电容器C1B接收正参考电压Vs，可变电容器C2B接收负参考电压-Vs。来自芯CA的信号输入被输入至所述积分器的反相输入端，来自芯CB的哑输入被输入至所述积分器的非反相输入端。
在高斩波相位内，即在11B中，芯CB接收反馈的输出信号，芯CA处于只是接收参考信号的哑态。在这一状态中，可变电容器C1B接收反馈信号-Vs+V0，可变电容器C2B接收反馈信号Vs+V0，可变电容器C1A接收负参考电压-Vs，可变电容器C2A接收正参考电压Vs。来自芯CB的信号输入被输入至所述积分器的非反相输入端，来自芯CA的哑输入被输入至所述积分器的反相输入端。
注意，随着斩波时钟在高相位和低相位之间切换，每一个可变电容器上的电压改变极性。在低态中，可变电容器C1A和C1B具有正电压，可变电容器C2A和C2B具有负电压。而在高态中，可变电容器C2A和C2B具有正电压，可变电容器C1A和C1B具有负电压。因而，即使平均电压不为零，但是由于极性的变化而减少了电荷累积和偏置。也可以在斩波时钟相位变化过程中使传感器芯信号在所述积分器的反相输入端和非反相输入端之间切换，其提供了伪差分效果。
尽管将本发明描述为具有示范性设计，但是在本公开的精神和范围内可以对本发明做进一步修改。因此，本申请旨在利用其一般原理涵盖本发明的任何变型、使用或调整。

Claims (20)

1.一种感测物理量的差分电容换能器系统，所述差分电容换能器系统包括：
基于所述物理量生成第一芯输出的第一电容芯，所述第一电容芯包括第一可变电容器、第二可变电容器、耦合至所述第一可变电容器的第一芯输入端、耦合至所述第二可变电容器的第二芯输入端以及耦合至所述第一可变电容器和所述第二可变电容器之间的第一公共节点的第一芯输出端；
基于所述物理量生成第二芯输出的第二电容芯，所述第二电容芯包括第三可变电容器、第四可变电容器、耦合至所述第三可变电容器的第三芯输入端、耦合至所述第四可变电容器的第四芯输入端以及耦合至所述第三可变电容器和所述第四可变电容器之间的第二公共节点的第二芯输出端；
具有高态和低态的斩波系统，所述斩波系统耦合至所述第一电容芯和所述第二电容芯，所述斩波系统具有耦合至第一正信号的第一斩波输入端、耦合至第二负信号的第二斩波输入端、耦合至第一负信号的第三斩波输入端、耦合至第二正信号的第四斩波输入端、第一斩波输出端和第二斩波输出端；
其中，在所述斩波系统处于高态时，所述第一斩波输入端耦合至所述第一芯输入端，所述第二斩波输入端耦合至所述第二芯输入端，所述第三斩波输入端耦合至所述第三芯输入端，所述第四斩波输入端耦合至所述第四芯输入端，所述第一斩波输出端耦合至所述第一芯输出端，所述第二斩波输出端耦合至所述第二芯输出端；并且
其中，在所述斩波系统处于低态时，所述第一斩波输入端耦合至所述第三芯输入端，所述第二斩波输入端耦合至所述第四芯输入端，所述第三斩波输入端耦合至所述第一芯输入端，所述第四斩波输入端耦合至所述第二芯输入端，所述第一斩波输出端耦合至所述第二芯输出端，所述第二斩波输出端耦合至所述第一芯输出端。
2.根据权利要求1所述的差分电容换能器系统，其中，所述第一正信号与所述第一负信号具有基本相同的幅值和相反的极性，所述第二负信号与所述第二正信号具有基本相同的幅值和相反的极性。
3.根据权利要求1所述的差分电容换能器系统，还包括接收所述第一芯输出和所述第二芯输出并且生成换能器信号的积分电路。
4.根据权利要求3所述的差分电容换能器系统，还包括：
对所述换能器信号和参考电压求和并且生成所述第一正信号和所述第一负信号的第一差分求和电路，
对所述换能器信号和反相参考电压求和并且生成所述第二正信号和所述第二负信号的第二差分求和电路，所述参考电压和所述反相参考电压具有基本相同的幅值和相反的极性。
5.根据权利要求4所述的差分电容换能器系统，还包括：
将所述换能器信号反馈回所述第一差分求和电路的第一反馈路径；以及
将所述换能器信号反馈回所述第二差分求和电路的第二反馈路径。
6.根据权利要求1所述的差分电容换能器系统，其中，所述第一可变电容器和所述第三可变电容器对所述物理量的反应基本相同，所述第二可变电容器和所述第四可变电容器对所述物理量的反应基本相同。
7.根据权利要求1所述的差分电容换能器系统，其中，所述第一电容芯包括第一固定电容板、第二固定电容板、第一可移动电容板和第二可移动电容板；所述第一可移动电容板耦合至所述第二可移动电容板；所述第一可变电容器由所述第一固定电容板和所述第一可移动电容板形成；所述第二可变电容器由所述第二固定电容板和所述第二可移动电容板形成；并且
所述第二电容芯包括第三固定电容板、第四固定电容板、第三可移动电容板和第四可移动电容板；所述第三可移动电容板耦合至所述第四可移动电容板；所述第三可变电容器由所述第三固定电容板和所述第三可移动电容板形成；所述第四可变电容器由所述第四固定电容板和所述第四可移动电容板形成。
8.根据权利要求7所述的差分电容换能器系统，其中，所述第一可移动电容板耦合至所述第三可移动电容板。
9.根据权利要求1所述的差分电容换能器系统，还包括具有主时钟频率的主时钟和具有斩波时钟频率的斩波时钟，所述主时钟控制所述第一电容器芯和所述第二电容器芯的充电和放电，所述斩波时钟控制所述斩波系统何时处于高态和低态。
10.根据权利要求9所述的差分电容换能器系统，其中，所述主时钟频率和所述斩波时钟频率使得所述第一芯输入端、所述第二芯输入端、所述第三芯输入端和所述第四芯输入端的每者上的随着时间推移的平均电压基本为零伏。
11.根据权利要求9所述的差分电容换能器系统，其中，所述主时钟频率是所述斩波时钟频率的两倍。
12.一种感测物理量的电容换能器系统，所述电容换能器系统包括：
生成第一芯输出的第一电容芯，所述第一电容芯包括第一可变电容器、第二可变电容器、耦合至所述第一可变电容器的第一芯输入端、耦合至所述第二可变电容器的第二芯输入端以及耦合至所述第一可变电容器和所述第二可变电容器之间的第一公共节点的第一芯输出端；
生成第二芯输出的第二电容芯，所述第二电容芯包括第三可变电容器、第四可变电容器、耦合至所述第三可变电容器的第三芯输入端、耦合至所述第四可变电容器的第四芯输入端以及耦合至所述第三可变电容器和所述第四可变电容器之间的第二公共节点的第二芯输出端；
耦合至所述第一电容芯和所述第二电容芯并且在高态和低态之间振荡的斩波系统，
其中，在所述斩波系统处于低态时，所述第一芯输入端和所述第二芯输入端的第一高输入端接收正电压，所述第一芯输入端和所述第二芯输入端的第一低输入端接收负电压，所述第一高输入端和所述第一低输入端是不同的输入端；所述第三芯输入端和所述第四芯输入端的第二高输入端接收正电压，所述第三芯输入端和所述第四芯输入端的第二低输入端接收负电压，所述第二高输入端和所述第二低输入端是不同的输入端；并且
其中，在所述斩波系统处于高态时，所述第一高输入端接收负电压，所述第一低输入端接收正电压，所述第二高输入端接收负电压，所述第二低输入端接收正电压。
13.根据权利要求12所述的电容换能器系统，其中，在所述斩波系统处于低态时，所述第一高输入端和所述第一低输入端耦合以输出信号，所述输出信号是以所述第一芯输出和所述第二芯输出为基础的，所述第二高输入端耦合至正参考电压，所述第二低输入端耦合至负参考电压，所述负参考电压与所述正参考电压具有基本相同的幅值和相反的极性；并且
其中，在所述斩波系统处于所述低态时，所述第一高输入端耦合至所述负参考电压，所述第一低输入端耦合至正参考电压，并且所述第二高输入端和所述第二低输入端耦合至所述输出信号。
14.根据权利要求13所述的电容换能器系统，还包括积分电路，所述积分电路具有反相输入端和非反相输入端，所述积分电路生成所述输出信号；所述第一芯输出端耦合至所述积分电路的所述反相输入端，所述第二芯输出端耦合至所述积分电路的非反相输入端。
15.一种感测物理量的差分电容换能器系统，所述差分电容换能器系统包括：
基于所述物理量生成第一芯输出的第一电容芯，所述第一电容芯包括第一可变电容器、第二可变电容器、耦合至所述第一可变电容器的第一芯输入端、耦合至所述第二可变电容器的第二芯输入端以及耦合至所述第一可变电容器和所述第二可变电容器之间的第一公共节点的第一芯输出端；
基于所述物理量生成第二芯输出的第二电容芯，所述第二电容芯包括第三可变电容器、第四可变电容器、耦合至所述第三可变电容器的第三芯输入端、耦合至所述第四可变电容器的第四芯输入端以及耦合至所述第三可变电容器和所述第四可变电容器之间的第二公共节点的第二芯输出端；
具有高态和低态的斩波系统，所述斩波系统耦合至所述第一电容芯和所述第二电容芯，所述斩波系统具有耦合至第一正信号的第一斩波输入端、耦合至第二负信号的第二斩波输入端、耦合至第一负信号的第三斩波输入端、耦合至第二正信号的第四斩波输入端、第一斩波输出端和第二斩波输出端，
接收所述第一芯输出和所述第二芯输出并且生成换能器信号的输出电路；
具有主时钟频率的主时钟，所述主时钟控制所述第一电容器芯和所述第二电容器芯的充电和放电；
具有斩波时钟频率的斩波时钟，所述斩波时钟控制所述斩波系统何时处于所述高态和所述低态；
其中，在所述斩波系统处于高态时，所述第一斩波输入端耦合至所述第一芯输入端，所述第二斩波输入端耦合至所述第二芯输入端，所述第三斩波输入端耦合至所述第三芯输入端，所述第四斩波输入端耦合至所述第四芯输入端，所述第一斩波输出端耦合至所述第一芯输出端，所述第二斩波输出端耦合至所述第二芯输出端；并且
其中，在所述斩波系统处于低态时，所述第一斩波输入端耦合至所述第三芯输入端，所述第二斩波输入端耦合至所述第四芯输入端，所述第三斩波输入端耦合至所述第一芯输入端，所述第四斩波输入端耦合至所述第二芯输入端，所述第一斩波输出端耦合至所述第二芯输出端，所述第二斩波输出端耦合至所述第一芯输出端。
16.根据权利要求15所述的差分电容换能器系统，其中，所述第一正信号与所述第一负信号具有基本相同的幅值和相反的极性，所述第二负信号与所述第二正信号具有基本相同的幅值和相反的极性。
17.根据权利要求16所述的差分电容换能器系统，其中，所述主时钟频率和所述斩波时钟频率使得所述第一芯输入端、所述第二芯输入端、所述第三芯输入端和所述第四芯输入端的每者上的随着时间推移的平均电压基本为零伏。
18.根据权利要求17所述的差分电容换能器系统，其中，所述主时钟频率是所述斩波时钟频率的两倍。
19.根据权利要求15所述的差分电容换能器系统，还包括：
对所述换能器信号和参考电压求和并且生成所述第一正信号和所述第一负信号的第一差分求和电路，以及
对所述换能器信号和反相参考电压求和并且生成所述第二正信号和所述第二负信号的第二差分求和电路，所述参考电压和所述反相参考电压具有基本相同的幅值以及相反的极性。
20.根据权利要求15所述的差分电容换能器系统，其中，所述第一可变电容器和所述第三可变电容器对所述物理量的反应基本相同，所述第二可变电容器和所述第四可变电容器对所述物理量的反应基本相同。
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