CN106597015B - 一种提高电容式硅微加速度传感器输出稳定性的闭环电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于传感器技术领域，提供了一种提高电容式硅微加速度传感器输出稳定性的闭环电路，包括加速度计，所述加速度计包括由上极板、下极板和中间质量块构成的差分电容；还包括检测电路，所述检测电路包括电荷放大电路、差分放大电路、PI控制电路、第一方波生成电路、第二方波生成电路和开关信号生成电路；所述第一方波生成电路和第二方波生成电路分别生成频率相同的反馈电压±VF和偏置电压VR，反馈电压±VF、偏置电压VR和差分电容两端的激励电压±V共同作用于差分电容产生静电力。本发明将直流形式的偏置电压和反馈电压改为交流方波形式，从而减少电荷在介质层中的积累，达到提升输出电压的稳定性的目的。

Description

一种提高电容式硅微加速度传感器输出稳定性的闭环电路
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种提高电容式硅微加速度传感器输出稳定性的闭环电路。
背景技术
电容式硅微机械加速度传感器在惯性导航领域有着广泛的应用前景，通过对加速度的信号的处理可以确定物体移动的方向和距离。当输入加速度恒定时，加速度传感器中的敏感质量块在惯性力的作用下发生位移，引起检测电容的改变。检测电容差值通过信号处理电路产生输出电压信号。
为提高传感器的测量范围和线性度，通常采用闭环形式的检测电路，即将输出电压信号作为反馈电压接入到加速度传感器结构中，与偏置电压形成静电力反馈，使敏感质量块稳定在平衡位置附近。
加速度传感器结构的加工过程中，硅结构表面会被氧化形成电介质层(主要成分为二氧化硅)，在直流偏置电压及直流反馈电压的作用下，电荷会在介质层中积累，改变加速度传感器微结构间的电场分布和电场力，导致输出发生改变。即输入加速度保持不变时，输出电压信号随时间持续增加或减小，因此会产生错误的导航结果。
发明内容
针对以上问题的不足，本发明提供了一种提高电容式硅微加速度传感器输出稳定性的闭环电路，本发明将直流形式的偏置电压和反馈电压改为交流方波形式的偏置电压和反馈电压，从而减少电荷在介质层中的积累，达到提升输出电压的稳定性的目的。
为实现上述目的，本发明一种提高电容式硅微加速度传感器输出稳定性的闭环电路，包括加速度计，所述加速度计包括由上极板、下极板和中间质量块构成的差分电容；
还包括检测电路，所述检测电路包括电荷放大电路、差分放大电路、PI控制电路、第一方波生成电路、第二方波生成电路和开关信号生成电路；
所述差分电容的质量块接入电荷放大电路的输入端，所述电荷放大电路将检测到的差分电容信号C1、C2的差值转化为交流电压信号V1；
所述电荷放大电路的输出端接入差分放大电路的输入端，所述差分放大电路将交流电压信号V1转化为直流电压信号V2；
所述差分放大电路的输出端接入PI控制电路的输入端，所述PI控制电路将直流电压信号V2进行放大和滤波后得到最终输出电压V0；
所述开关信号生成电路用以产生脉冲方波信号，所述脉冲方波信号输入到第一方波生成电路和第二方波生成电路中，作为第一方波生成电路和第二方波生成电路的控制信号；
所述开关信号生成电路的输出端和PI控制电路的输出端分别接入第一方波生成电路不同的输入端，所述第一方波生成电路的两个输出端分别接入差分电容的上极板和下极板，以形成闭环回路；
所述开关信号生成电路的输出端和5V直流电源分别接入第二方波生成电路不同的输入端，所述第二方波生成电路的输出端接入差分电容的质量块；
所述第一方波生成电路和第二方波生成电路分别生成频率相同的反馈电压±VF和偏置电压VR，反馈电压+VF和激励电压+Vi共同作用于差分电容上极板，反馈电压－VF和激励电压－Vi共同作用于差分电容下极板，偏置电压VR作用于差分电容质量块，激励电压±Vi、反馈电压±VF和偏置电压VR共同作用于差分电容产生静电力。
所述电荷放大电路包括第一运算放大器，所述差分电容的质量块接入第一运算放大器的反相输入端，所述第一运算放大器的正相输入端接地，所述第一运算放大器的输出端经相互并联的电容Cf、反馈电阻Rf接入第一运算放大器的反相输入端，所述第一运算放大器的输出端还经依次串联的电容Ch、输出电阻Rh接地；由输出电阻Rh的高电平端输出交流电压信号V1。
所述差分放大电路包括模拟开关和第二运算放大器；所述电荷放大电路的输出端接入模拟开关的一个输入端，所述模拟开关的另一个输入端接地；所述模拟开关的一个输出端经依次串联的电阻R7、电阻R8接入第二运算放大器的反相输入端，所述模拟开关的另一个输出端经依次串联的电阻R9、电阻R10接入第二运算放大器的正相输入端，所述电阻R7和电阻R8的相接处经滤波电容C5接地，所述电阻R9和电阻R10的相接处经滤波电容C6接地；且所述第二运算放大器的正相输入端经电阻R12接地，所述第二运算放大器的输出端经反馈电阻R11接入第二运算放大器的反相输入端；所述第二运算放大器输出直流电压信号V2。
所述PI控制电路包括第三运算放大器，所述差分放大电路的输出端经输入电阻R13接入第三运算放大器的反相输入端，所述第三运算放大器的正相输入端接地，所述第三运算放大器的输出端经三个并联回路接入第三运算放大器的反相输入端，第一回路包括电阻R14，第二回路包括依次串联的电容C7和电阻R15，第三回路包括电容C8；所述第三运算放大器输出最终电压V0。
所述开关信号生成电路包括定时器，所述定时器的低触发端与高触发端相连后经电阻R2连接到放电端，所述定时器的放电端经电阻R1连接到外接电源端，所述定时器的低触发端和高触发端相连后经电容C3接地，所述定时器的控制电压端经电容C4接地，所述定时器用以输出脉冲方波控制信号。
脉冲方波的占空比和周期可以调节，脉冲方波信号输入到第一方波生成电路和第二方波生成电路中，作为其控制信号。在脉冲方波信号的控制作用下，第一方波生成电路和第二方波生成电路产生的方波信号周期与脉冲方波信号的周期相同。方波信号中正电压持续时间与负电压持续时间的比例由脉冲方波的占空比决定。
所述第一方波生成电路包括第四运算放大器和第一反相模拟开关，所述PI控制电路的输出端经输入电阻R5接入第四运算放大器的反相输入端，所述第四运算放大器的正相输入端接地，所述第四运算放大器的输出端经反馈电阻R6接入第四运算放大的反相输入端；所述第三运算放大器的输出端、第四运算放大器的输出端分别接入第一反相模拟开关的两个输入端，所述开关信号生成电路的输出端接入第一反相模拟开关的时钟控制端，所述第一反相模拟开关的两个输出端分别接入差分电容的上极板和下极板；所述第一反相模拟开关输出方波形式的反馈电压±VF。
所述第二方波生成电路包括第五运算放大器和第二反相模拟开关，5V直流电源经输入电阻R3接入第五运算放大器的反相输入端，所述第五运算放大器的正相输入端接地，所述第五运算放大器的输出端经反馈电阻R4接入第五运算放大的反相输入端；所述5V直流电源、第五运算放大器的输出端分别接入第二反相模拟开关的两个输入端，所述开关信号生成电路的输出端接入第二反相模拟开关的时钟控制端，所述第二反相模拟开关的输出端接入差分电容的质量块；所述第二反相模拟开关输出方波形式的偏置电压VR。
由上述方案可知，本发明一种提高电容式硅微加速度传感器输出稳定性的闭环电路，将直流形式的偏置电压和反馈电压改为交流方波形式的偏置电压和反馈电压，反馈电压±VF、偏置电压VR和差分电容两端的激励电压±V共同作用于差分电容产生静电力，从而减少电荷在介质层中的积累，达到提升输出电压的稳定性的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本实施例的电路结构框图；
图2为本实施例的电荷放大电路结构图；
图3为本实施例的差分放大电路结构图；
图4为本实施例的PI控制电路结构图；
图5为本实施例的开关信号生成电路结构图；
图6为本实施例的第一方波生成电路结构图；
图7为本实施例的第二方波生成电路结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的产品，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例：
本发明提供了一种提高电容式硅微加速度传感器输出稳定性的闭环电路，包括加速度计，所述加速度计包括由上极板、下极板和中间质量块构成的差分电容；
还包括检测电路，所述检测电路包括电荷放大电路、差分放大电路、PI控制电路、第一方波生成电路、第二方波生成电路和开关信号生成电路；
所述差分电容的质量块接入电荷放大电路的输入端，所述电荷放大电路将检测到的差分电容信号C1、C2的差值转化为交流电压信号V1；
所述电荷放大电路的输出端接入差分放大电路的输入端，所述差分放大电路将交流电压信号V1转化为直流电压信号V2；
所述差分放大电路的输出端接入PI控制电路的输入端，所述PI控制电路将直流电压信号V2进行放大和滤波后得到最终输出电压V0；
所述开关信号生成电路用以产生脉冲方波信号，所述脉冲方波信号输入到第一方波生成电路和第二方波生成电路中，作为第一方波生成电路和第二方波生成电路的控制信号；
所述开关信号生成电路的输出端和PI控制电路的输出端分别接入第一方波生成电路不同的输入端，所述第一方波生成电路的两个输出端分别接入差分电容的上极板和下极板，以形成闭环回路；
所述开关信号生成电路的输出端和5V直流电源分别接入第二方波生成电路不同的输入端，所述第二方波生成电路的输出端接入差分电容的质量块；
所述第一方波生成电路和第二方波生成电路分别生成频率相同的反馈电压±VF和偏置电压VR，反馈电压+VF和激励电压+Vi共同作用于差分电容上极板，反馈电压－VF和激励电压－Vi共同作用于差分电容下极板，偏置电压VR作用于差分电容质量块，激励电压±Vi、反馈电压±VF和偏置电压VR共同作用于差分电容产生静电力。
所述电荷放大电路包括第一运算放大器，所述差分电容的质量块接入第一运算放大器的反相输入端，所述第一运算放大器的正相输入端接地，所述第一运算放大器的输出端经相互并联的电容Cf、反馈电阻Rf接入第一运算放大器的反相输入端，所述第一运算放大器的输出端还经依次串联的电容Ch、输出电阻Rh接地；由输出电阻Rh的高电平端输出交流电压信号V1。
所述差分放大电路包括模拟开关和第二运算放大器；所述电荷放大电路的输出端接入模拟开关的一个输入端，所述模拟开关的另一个输入端接地；所述模拟开关的一个输出端经依次串联的电阻R7、电阻R8接入第二运算放大器的反相输入端，所述模拟开关的另一个输出端经依次串联的电阻R9、电阻R10接入第二运算放大器的正相输入端，所述电阻R7和电阻R8的相接处经滤波电容C5接地，所述电阻R9和电阻R10的相接处经滤波电容C6接地；且所述第二运算放大器的正相输入端经电阻R12接地，所述第二运算放大器的输出端经反馈电阻R11接入第二运算放大器的反相输入端；所述第二运算放大器输出直流电压信号V2。
本实施例中的R7、R8、R9、R10、C5和C6构成了滤波回路，依次串联的R7、R8作为滤波电路的第一回路，R7和R8的相接处经滤波电容C5接地；依次串联的R9、R10作为滤波电路的第二回路，R9和R10的相接处经滤波电容C6接地。交流电压信号V1经过模拟开关后分为正负两路方波，然后通过滤波电路滤除高频谐波，随后接入第二运算放大器，经过差分放大电路的作用，产生直流电压信号V2。
所述PI控制电路包括第三运算放大器，所述差分放大电路的输出端经输入电阻R13接入第三运算放大器的反相输入端，所述第三运算放大器的正相输入端接地，所述第三运算放大器的输出端经三个并联回路接入第三运算放大器的反相输入端，第一回路包括电阻R14，第二回路包括依次串联的电容C7和电阻R15，第三回路包括电容C8；所述第三运算放大器输出最终电压V0。
所述开关信号生成电路包括定时器，所述定时器的低触发端与高触发端相连后经电阻R2连接到放电端，所述定时器的放电端经电阻R1连接到外接电源端，所述定时器的低触发端和高触发端相连后经电容C3接地，所述定时器的控制电压端经电容C4接地，所述定时器用以输出脉冲方波控制信号。
脉冲方波的占空比和周期可以调节，脉冲方波信号输入到第一方波生成电路和第二方波生成电路中，作为其控制信号。在脉冲方波信号的控制作用下，第一方波生成电路和第二方波生成电路产生的方波信号周期与脉冲方波信号的周期相同。方波信号中正电压持续时间与负电压持续时间的比例由脉冲方波的占空比决定。
所述第一方波生成电路包括第四运算放大器和第一反相模拟开关，所述PI控制电路的输出端经输入电阻R5接入第四运算放大器的反相输入端，所述第四运算放大器的正相输入端接地，所述第四运算放大器的输出端经反馈电阻R6接入第四运算放大的反相输入端；所述第三运算放大器的输出端、第四运算放大器的输出端分别接入第一反相模拟开关的两个输入端，所述开关信号生成电路的输出端接入第一反相模拟开关的时钟控制端，所述第一反相模拟开关的两个输出端分别接入差分电容的上极板和下极板；所述第一反相模拟开关输出方波形式的反馈电压±VF。
所述第二方波生成电路包括第五运算放大器和第二反相模拟开关，5V直流电源经输入电阻R3接入第五运算放大器的反相输入端，所述第五运算放大器的正相输入端接地，所述第五运算放大器的输出端经反馈电阻R4接入第五运算放大的反相输入端；所述5V直流电源、第五运算放大器的输出端分别接入第二反相模拟开关的两个输入端，所述开关信号生成电路的输出端接入第二反相模拟开关的时钟控制端，所述第二反相模拟开关的输出端接入差分电容的质量块；所述第二反相模拟开关输出方波形式的偏置电压VR。
本实施例中通过振荡器产生频率为100kHz的方波Vi为整个系统提供激励信号。当加速度输入时，可动质量块在惯性力的作用下发生位移，上下极板与质量块上极板产生差分电容信号，经过电荷放大电路转换为与激励信号频率相同的交流电压信号；该电压信号经过模拟开关后分为正负两路方波，然后通过滤波电路滤除高频谐波，随后接入运算放大器的同相端和反相端，经过差分放大电路的作用，产生直流电压。该直流电压经过PI电路之后得到最终输出电压VO。将输出电压VO接入第一方波生成电路中形成方波反馈信号+VF和-VF，分别接入上下极板，形成反馈回路。5V直流信号接入第二方波生成电路中形成方波偏置电压VR。接入上下极板的反馈电压±VF与质量块的偏置电压VR共同作用产生静电力，使可动质量块稳定在平衡位置附近。
开关信号生成电路中产生的脉冲控制信号VC的周期由电阻R1、R2和电容C3确定。脉冲信号的周期T＝t1+t2，其中，t1≈0.7(R1+R2)C3,t2≈0.7R2C3。占空比q＝t1/T，调节电阻R1、R2和电容C3的值可以改变脉冲信号的周期和占空比。
第一方波生成电路中，电阻R5＝R6，最终输出电压信号VO首先通过反相放大电路得到-VO信号。±VO接入第一反相模拟开关，第一反相模拟开关在脉冲控制信号VC的作用下产生反馈方波电压信号±VF。反馈方波电压信号的频率与脉冲控制信号VC的频率相同。
第二方波生成电路中，电阻R3＝R4，5V直流信号首先通过反相放大电路得到-5V信号。±5V接入第二反相模拟开关，第二反相模拟开关在脉冲控制信号VC的作用下产生偏置方波电压信号VR。偏置方波电压信号VR的频率与脉冲控制信号VC的频率相同。
在开关信号生成电路中，R2＝5MΩ，R1＝5KΩ，由此生成的开关信号的周期约为700ms，占空比为％50。因此偏置方波电压和反馈方波电压的周期同样约为700ms。采用直流偏置电压和反馈电压进行实验时，加速度传感器的输出漂移量约为120mg。同样的加速度传感器，采用方波偏置电压和反馈电压进行实验时，加速度传感器的输出漂移量约为20mg。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种提高电容式硅微加速度传感器输出稳定性的闭环电路，其特征在于：包括加速度计，所述加速度计包括由上极板、下极板和中间质量块构成的差分电容；
还包括检测电路，所述检测电路包括电荷放大电路、差分放大电路、PI控制电路、第一方波生成电路、第二方波生成电路和开关信号生成电路；
所述差分电容的质量块接入电荷放大电路的输入端，所述电荷放大电路将检测到的差分电容信号C1、C2的差值转化为交流电压信号V1；
所述电荷放大电路的输出端接入差分放大电路的输入端，所述差分放大电路将交流电压信号V1转化为直流电压信号V2；
所述差分放大电路的输出端接入PI控制电路的输入端，所述PI控制电路将直流电压信号V2进行放大和滤波后得到最终输出电压V0；
所述开关信号生成电路用以产生脉冲方波信号，所述脉冲方波信号输入到第一方波生成电路和第二方波生成电路中，作为第一方波生成电路和第二方波生成电路的控制信号；
所述开关信号生成电路的输出端和PI控制电路的输出端分别接入第一方波生成电路不同的输入端，所述第一方波生成电路的两个输出端分别接入差分电容的上极板和下极板，以形成闭环回路；
所述开关信号生成电路的输出端和5V直流电源分别接入第二方波生成电路不同的输入端，所述第二方波生成电路的输出端接入差分电容的质量块；
所述第一方波生成电路和第二方波生成电路分别生成频率相同的交流方波形式的反馈电压±VF和交流方波形式的偏置电压VR，反馈电压+VF和激励电压+Vi共同作用于差分电容上极板，反馈电压－VF和激励电压－Vi共同作用于差分电容下极板，偏置电压VR作用于差分电容质量块，激励电压±Vi、反馈电压±VF和偏置电压VR共同作用于差分电容产生静电力。
2.根据权利要求1所述的一种提高电容式硅微加速度传感器输出稳定性的闭环电路，其特征在于：所述电荷放大电路包括第一运算放大器，所述差分电容的质量块接入第一运算放大器的反相输入端，所述第一运算放大器的正相输入端接地，所述第一运算放大器的输出端经相互并联的电容Cf、反馈电阻Rf接入第一运算放大器的反相输入端，所述第一运算放大器的输出端还经依次串联的电容Ch、输出电阻Rh接地；由输出电阻Rh的高电平端输出交流电压信号V1。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高电容式硅微加速度传感器输出稳定性的闭环电路，其特征在于：所述差分放大电路包括模拟开关和第二运算放大器；所述电荷放大电路的输出端接入模拟开关的一个输入端，所述模拟开关的另一个输入端接地；所述模拟开关的一个输出端经依次串联的电阻R7、电阻R8接入第二运算放大器的反相输入端，所述模拟开关的另一个输出端经依次串联的电阻R9、电阻R10接入第二运算放大器的正相输入端，所述电阻R7和电阻R8的相接处经滤波电容C5接地，所述电阻R9和电阻R10的相接处经滤波电容C6接地；且所述第二运算放大器的正相输入端经电阻R12接地，所述第二运算放大器的输出端经反馈电阻R11接入第二运算放大器的反相输入端；所述第二运算放大器输出直流电压信号V2。
4.根据权利要求1所述的一种提高电容式硅微加速度传感器输出稳定性的闭环电路，其特征在于：所述PI控制电路包括第三运算放大器，所述差分放大电路的输出端经输入电阻R13接入第三运算放大器的反相输入端，所述第三运算放大器的正相输入端接地，所述第三运算放大器的输出端经三个并联回路接入第三运算放大器的反相输入端，第一回路包括电阻R14，第二回路包括依次串联的电容C7和电阻R15，第三回路包括电容C8；所述第三运算放大器输出最终电压V0。
5.根据权利要求1所述的一种提高电容式硅微加速度传感器输出稳定性的闭环电路，其特征在于：所述开关信号生成电路包括定时器，所述定时器的低触发端与高触发端相连后经电阻R2连接到放电端，所述定时器的放电端经电阻R1连接到外接电源端，所述定时器的低触发端和高触发端相连后经电容C3接地，所述定时器的控制电压端经电容C4接地，所述定时器用以输出脉冲方波控制信号。
6.根据权利要求4所述的一种提高电容式硅微加速度传感器输出稳定性的闭环电路，其特征在于：所述第一方波生成电路包括第四运算放大器和第一反相模拟开关，所述PI控制电路的输出端经输入电阻R5接入第四运算放大器的反相输入端，所述第四运算放大器的正相输入端接地，所述第四运算放大器的输出端经反馈电阻R6接入第四运算放大的反相输入端；所述第三运算放大器的输出端、第四运算放大器的输出端分别接入第一反相模拟开关的两个输入端，所述开关信号生成电路的输出端接入第一反相模拟开关的时钟控制端，所述第一反相模拟开关的两个输出端分别接入差分电容的上极板和下极板；所述第一反相模拟开关输出方波形式的反馈电压±VF。
7.根据权利要求1所述的一种提高电容式硅微加速度传感器输出稳定性的闭环电路，其特征在于：所述第二方波生成电路包括第五运算放大器和第二反相模拟开关，5V直流电源经输入电阻R3接入第五运算放大器的反相输入端，所述第五运算放大器的正相输入端接地，所述第五运算放大器的输出端经反馈电阻R4接入第五运算放大的反相输入端；所述5V直流电源、第五运算放大器的输出端分别接入第二反相模拟开关的两个输入端，所述开关信号生成电路的输出端接入第二反相模拟开关的时钟控制端，所述第二反相模拟开关的输出端接入差分电容的质量块；所述第二反相模拟开关输出方波形式的偏置电压VR。
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