CN105466466B - 一种自动量程的mems电容式传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动量程的MEMS电容式传感器，包括MEMS电容敏感模块、电容/电压转换模块、A/D模块和微处理器；MEMS电容敏感模块是由敏感可动结构和固定结构构成的电容；敏感可动结构敏感检测待测物理量产生的机械形变；电容/电压转换模块将电容变化量转换为电压信号；A/D模块采样电压信号后输出给微处理器。通过调节电容两端的直流偏置电压差值，可以调节敏感元件放大倍数，进而实现调节传感器量程到设定范围内。本发明可以扩大MEMS电容式传感器检测量程，尤其对于微弱待测量，可以提高传感器信噪比，增大微弱信号的检测精度。

Description

一种自动量程的MEMS电容式传感器
技术领域
本发明涉及电子领域，具体涉及一种自动量程的MEMS电容式传感器。
背景技术
随着MEMS传感器应用领域的不断推广，一些应用领域要求进一步增加传感器的量程，同时提高传感器的精度。在不采用新技术的前提下，增加传感器的量程和提高传感器的精度是相互对立的，传感器设计人员需要折中考虑量程和精度。
由于MEMS电容式传感器输出信号的电压变化范围不超过传感器供电电压范围，因此传感器的标度因数(灵敏度)不变的情况下，传感器的量程受供电电压限制，故而提高MEMS电容式传感器供电电压差可以增大传感器的量程。若不改变传感器供电电压差，通过降低传感器的标度因数虽然也可以增加传感器的量程，但其降低了传感器的信噪比，会导致传感器的精度下降。现有MEMS电容式传感器量程固定，不能根据测量结果自动切换合适量程。在测量弱小信号时，传感器仍然按原量程工作，导致测量弱小信号时传感器精度较低。
目前传感器自动量程功能基本采取改变电路或软件算法的放大倍数的方式来实现的。
发明专利《自选量程高压数字兆欧表》的量程选择电路根据被测取样电压大小，给出相应衰减量，由比较器输出相关的逻辑信号加到移位逻辑电路中，根据该电路的逻辑功能去控制显示器的小数点移位，达到量程自动切换的功能。
发明专利《用于辐射探测的大动态微弱电流探测装置》的量程自动选择由量程选择开关电路实现。量程选择开关电路由控制端口、光电耦合部分和继电器控制三部分组成，光电耦合器控制继电器的通短，进而实现电路不同放大倍数的选择，达到量程切换的目的。
发明专利《一种自动量程的伏安相位表》由A/D转换器、微控制器和可编程增益放大器构成自动量程选择模块。通过编程控制可编程增益放大器的放大倍数实现量程的切换。
发明专利《数字式万能测量仪的自动量程选择器》提出首先将被测电压信号经过衰减器衰减，再由A/D转换器转换为数字信号。然后对转换后的数字信号进行计数。同时并行A/D转换器将衰减器输出的信号同内部基准电压相比较提供并行数字输出信号。控制逻辑和测量量程选择器根据并行A/D转换器的数字输出信号控制衰减器的输出电压。
然而上述发明措施均是通过改变传感器检测电路放大或衰减倍数来实现分段多量程测量。当传感器敏感元件的等效输入噪声远小于检测电路的等效输入噪声，且传感器供电电压恒定时，虽然测量大信号时减小电路放大倍数，测量小信号时增大电路放大倍数，可以实现传感器量程自适应。但是采用增大电路放大倍数的方法测量小信号时，电路同时也将噪声放大了相应的倍数，该方法没有提高传感器的信噪比。因此虽然实现了传感器的自动量程功能，但其小量程的检测精度没有得到提高。
发明内容
虽然MEMS电容式传感器量程自动切换也可采用改变检测电路放大倍数来实现，但其缺点是当传感器敏感结构的等效输入噪声远远小于检测电路的等效输入噪声时，该方法不能提高传感器的信噪比。
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种新型的MEMS电容式传感器自动量程设计方法，可以保证传感器测量量程，尤其对于微弱待测量，可以提高传感器信噪比，增大微弱信号的检测精度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种自动量程的MEMS电容式传感器，其特征是，包括MEMS敏感模块、电容/电压转换模块、A/D模块和微处理器；
MEMS敏感模块包括由敏感可动结构和固定极板构成的电容；
敏感可动结构敏感检测待测物理量产生的机械形变；
电容/电压转换模块将电容变化量转换为电压信号；
A/D模块采样电容/电压转换模块输出的电压信号后输出给微处理器；
由微处理器根据接收的数据判断当前A/D模块输出数据是否在设定范围内；即当前量程是否合适；
若当前量程合适，则微处理器计算并输出测量结果；
若当前量程不合适，则通过调节电容两端的直流偏置电压差值调节MEMS敏感模块放大倍数，进而调节传感器放大倍数，重新由A/D模块采样，直到当前量程合适，完成测量。
当MEMS电容式传感器为开环工作方式时，若当前量程不合适，则调节敏感可动结构上直流偏置电压V1和/或敏感检测固定极板上直流偏置电压V2，来改变电容两端电压差值，达到增大或减小传感器放大倍数，进而实现传感器量程调节。
当MEMS电容式传感器为闭环工作方式时，若当前量程不合适，则调节敏感可动结构上的直流偏置电压V1和/或敏感检测固定极板上的直流偏置电压V2，来改变敏感电容两端电压差值，达到增大或减小传感器放大倍数，进而实现传感器量程调节。
当MEMS电容式传感器为闭环工作方式时，若当前量程不合适，则调节敏感可动结构上的直流偏置电压V1和/或反馈执行电容固定极板上的直流偏置电压V3，来改变反馈执行电容电压差值，达到增大或减小传感器闭环电压/反馈力转换系数，进而实现传感器量程调节。
若A/D模块采样输出的电压信号小于A/D转换器满量程输出的三分之一，则当前量程大于合适值，缩小传感器量程；
若A/D模块采样输出的电压信号大于A/D转换器满量程输出的五分之四，则当前量程小于合适值，扩大传感器量程。
本发明所达到的有益效果：
该方法的优点在于传感器的量程可根据被测信号自动切换。对于检测较大的待测量，传感器则可以通过适当降低传感器灵敏度的方式，保证传感器检测量程。而对于测量微弱待测量，传感器可以通过提高敏感元件灵敏度的方式，提高传感器信噪比，增大微弱信号的检测精度。
附图说明
图1为一种MEMS电容式传感器的电容示意图。
图2为一种开环检测方式的MEMS电容式传感器的自动量程实现原理框图。
图3为一种闭环检测方式的MEMS电容式传感器的自动量程实现原理框图。
图4为微处理器自动量程切换原理框图。
图5为传感器量程自动切换工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
传感器一般由敏感元件和检测放大电路两部分组成。传感器的标度因数(即灵敏度)Ssensor也是由敏感元件灵敏度Selement和检测电路放大倍数Scircuit组成，即
Ssensor＝Selement·Scircuit
传感器的噪声来源也大致由敏感元件的等效输入噪声eelement和检测电路的等效输入噪声ecircuit两部分构成。传感器的输出可表示为
Vout＝[(Xinput+eelement)·Selement+ecircuit]·Scircuit
＝XinputSelementScircuit+eelementSelementScircuit+ecircuitScircuit
其中Xinput为传感器检测的输入物理量。
当传感器电路噪声远大于敏感元件噪声时，即
ecircuit＞＞relementSelement
传感器的输出可近似表示为
Vout≈XinputSelementScircuit+ecircuitScircuit
可见通过适当调节电路放大倍数Scircuit和敏感元件放大倍数Selement，可以实现扩大检测输入物理量Xinput测量范围，并同时保证传感器输出Vout不超过最大允许输出值。测量小信号时通过提高敏感元件放大倍数Selement，可以实现传感器小量程测量，并提高传感器小量程测量时的信噪比。
传统传感器的敏感元件灵敏度由其结构尺寸、材料特性等决定，而这些特性在传感器设计、加工完成后基本保持不变，因此传统传感器的敏感元件灵敏度在使用过程中不易改变。传统传感器的自动量程切换功能只能通过改变电路增益实现。
而MEMS电容式传感器的敏感元件为可动微型机械结构，传感器内可动的敏感元件的机械信号与检测电路的电信号之间的转换由电容完成。
传感器开环工作时，电容实现机械变化量到电学变化量的转换。传感器的敏感元件敏感检测到待测物理量产生的机械形变，该形变引起电容容值的变化。通过检测电容电荷的变化量即可等效检测出输入的待测物理量。由于电容电荷量为电容容值与电压差值的乘积，即
Q＝CV
因此改变电容两端电压差值可以改变电路检测到的电容变化量，进而改变传感器敏感元件的灵敏度。
当传感器闭环工作时，除了一部分电容用于机械变化量到电学变化量的敏感转换外，还有一部分电容作为执行部件完成电学量到力学量的转换，实现控制可动的敏感元件的功能。电容的静电执行力可表示为
其中为电容变化量，V为电容两端施加的电压差。通过改变电压差值，亦可实现电容驱动力大小的调节，进而实现调节传感器敏感元件灵敏度的目的。
因此无论传感器工作方式是开环还是闭环，均可以通过改变电容电压差值的方式，改变传感器敏感元件的灵敏度，进而实现调节传感器灵敏度的目的。由于电压差为电学量，因此易于在传感器测量过程中调节传感器敏感元件的灵敏度。
一般MEMS电容式传感器主要由可动微型机械结构(敏感元件)及相应的检测电路构成。敏感元件敏感到待测物理量，产生相应的位移。当敏感元件产生位移后，敏感元件和固定结构之间构成的电容容值发生变化。检测电路通过检测该电容容值的变化量来实现检测待测物理量。图1为敏感元件和固定结构之间构成的电容示意图。
当传感器为开环工作方式时，电容实现机械变化量到电学变化量的转换。检测电路通过检测电容电荷变化量的方式等效检测出电容变化量，因此通过改变电容两极板之间的电压差，可以实现增大或减小电容检测灵敏度，进而实现改变传感器敏感元件灵敏度的目的。
如图2所示，当敏感元件在待测输入物理量的作用下发生位移，电容/电压转换模块将电容变化量转换为电压变化信号，A/D采样电压信号后输出给微处理器，微处理器判断当前量程是否合适，若A/D采样输出的电压信号小于A/D转换器满量程输出的三分之一，则认为当前量程较大，不合适，应当缩小传感器量程；若A/D采样输出的电压信号大于A/D转换器满量程输出的五分之四，则认为当前量程较小，不合适，应当扩大传感器量程。若当前量程合适则进行后续信号处理及计算，若不合适则更改敏感元件上直流偏置电压V1和/或固定极板上直流偏置电压V2，进而达到改变电容两端电压差(V1－V2)的目的。通过改变电容两端电压差值，以实现增大或减小传感器敏感元件的灵敏度，然后重新进行传感器量程判断，直至找到合适的量程或者达到传感器设定的最小或最大量程为止。
当传感器为闭环工作时，敏感元件和固定结构之间构成的电容，除了一部分用于机械变化量到电学变化量的敏感转换外，还有一部分电容作为闭环反馈执行部件完成电学量到力学量的转换，形成闭环反馈力，使传感器闭环工作时敏感元件保持在平衡位置附近。因此传感器闭环工作时，不仅可以通过改变检测电容电压差值(V1－V2)(改变敏感元件上直流偏置电压V1和/或固定极板上直流偏置电压V2)，调节传感器敏感元件的灵敏度，还可以通过改变反馈执行电容两端电压差值(V1－V3)(改变敏感元件上直流偏置电压V1和/或反馈执行电容固定极板上的直流偏置电压V3)，调节闭环反馈驱动力的大小，实现调节传感器敏感元件灵敏度的目的。反馈执行电容为传感器闭环工作的必须部分。敏感元件与固定极板构成的电容仅为敏感电容，虽然敏感电容和执行电容结构形式相同，但其电气连接方式不同。敏感电容为输出，具备检测能力，但不具备力反馈功能。反馈执行电容为输入，具备力反馈能力，但不具备检测能力。
如图3所示，当敏感元件在待测输入物理量的作用下发生位移，电容/电压转换模块将电容变化量转换为电压变化信号，A/D采样电压信号后输出给微处理器，微处理器判断当前量程是否合适。若合适则进行后续信号处理及计算，若不合适，则调节敏感元件上的直流偏置电压V1、敏感检测固定极板上的直流偏置电压V2、反馈执行电容固定极板上的直流偏置电压V3。通过改变敏感检测电容电压差值(V1－V2)和反馈执行电容电压差值(V1－V3)，可实现传感器灵敏度的调节。
传感器量程的选择和判断由微处理器完成。A/D采样的数据输出给微处理器，微处理根据数据的大小判断当前量程是否合适。若A/D采样输出的电压信号小于A/D转换器满量程输出的三分之一，则认为当前量程较大，不合适，应当缩小传感器量程；若A/D采样输出的电压信号大于A/D转换器满量程输出的五分之四，则认为当前量程较小，不合适，应当扩大传感器量程。若合适则数据处理程序根据A/D采样的数据和当前选择的电容电压差值进行处理和计算，如图4所示。若当前量程不合适，则调节电容两端的直流偏置电压差值，直至量程合适或达到传感器设定的最小或最大量程为止。
图5为量程自动切换流程原理图。上电后，传感器初始化，根据初始设置调节电容两端电压差值。传感器完成初始化后，开始进行周期性测量。A/D模块将电容/电压转换模块输出的电压信号进行采样数字化。根据采样后的信号大小判断当前电容电压差设置是否合理(量程是否合适)。若当前电压差设置合适，则数据处理程序根据采样数据和电容电压差值进行数据处理计算，输出测量结果。若当前量程不合适，则进一步判断量程是需要增大还是减小，根据需要增大还是减小量程来调节电容两端的直流偏置电压差值。电容电压差值调节完成后，程序重新进行A/D采样转换并进行量程是否合适的判断，直至量程合适或达到传感器设定的最小或最大量程，完成本次测量。
以上所述仅是本发明的一种实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种自动量程的MEMS电容式传感器，其特征是，包括MEMS敏感模块、电容/电压转换模块、A/D模块和微处理器；
MEMS敏感模块包括由敏感可动结构和固定极板构成的电容；
敏感可动结构敏感检测待测物理量产生的机械形变；
电容/电压转换模块将电容变化量转换为电压信号；
A/D模块采样电容/电压转换模块输出的电压信号后输出给微处理器；
由微处理器根据接收的数据判断当前A/D模块输出数据是否在设定范围内；即当前量程是否合适；
若当前量程合适，则微处理器计算并输出测量结果；
若当前量程不合适，则通过调节电容两端的直流偏置电压差值调节MEMS敏感模块放大倍数，进而调节传感器放大倍数，重新由A/D模块采样，直到当前量程合适，完成测量。
2.根据权利要求1所述的自动量程的MEMS电容式传感器，其特征是，当MEMS电容式传感器为开环工作方式时，若当前量程不合适，则调节敏感可动结构上直流偏置电压V 1 和/或调节固定极板上直流偏置电压V 2 ，来改变电容两端电压差值，达到增大或减小传感器放大倍数，进而实现传感器量程调节。
3.根据权利要求1所述的自动量程的MEMS电容式传感器，其特征是，当MEMS电容式传感器为闭环工作方式时，若当前量程不合适，则调节敏感可动结构上的直流偏置电压V 1 和/或调节固定极板上的直流偏置电压V 2 ，来改变敏感电容两端电压差值，达到增大或减小传感器放大倍数，进而实现传感器量程调节。
4.根据权利要求1或3所述的自动量程的MEMS电容式传感器，其特征是，当MEMS电容式传感器为闭环工作方式时，若当前量程不合适，则调节敏感可动结构上的直流偏置电压V 1 和/或调节反馈执行电容固定极板上的直流偏置电压V 3 ，来改变反馈执行电容电压差值，达到增大或减小传感器闭环电压/反馈力转换系数，进而实现传感器量程调节。
5.根据权利要求1所述的自动量程的MEMS电容式传感器，其特征是，
若A/D模块采样输出的电压信号小于A/D转换器满量程输出的三分之一，则当前量程大于合适值，缩小传感器量程；
若A/D模块采样输出的电压信号大于A/D转换器满量程输出的五分之四，则当前量程小于合适值，扩大传感器量程。
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