CN107132372B - 一种用于电容式微机械加速度计电容检测的结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电容式微机械加速度计电容检测的结构，第一质量块和第二质量块均与第三质量块连接，第三质量块对第一质量块和第二质量块进行电气隔离，检测电容C1的动极板和检测电容C3的动极板与第一质量块连接，检测电容C2的动极板和检测电容C4的动极板与第二质量块连接，检测电容C1的定极板和检测电容C2的定极板与外部引脚A通过引线连接，检测电容C3的定极板和检测电容C4的定极板与外部引脚B通过引线连接，本结构不需要外接匹配电容就可以实现微机械加速度计电容差分检测，无需外接匹配电容，匹配性更好，可以避免由于匹配电容大小的不匹配以及匹配电容的变化引起的微机械加速度计性能恶化的技术效果。

Description

一种用于电容式微机械加速度计电容检测的结构
技术领域
本发明涉及微机械加速度计检测领域，具体地，涉及一种用于电容式微机械加速度计电容检测的结构。
背景技术
电容式微机械加速度计基于检测加速度引起的电容变化工作。如图1所示，为了抑制共模干扰的影响，加速度计常设计成差分检测结构，Cs1,Cs2构成差分检测电容，理想情况下，当质量块发生位移时，Cs1,Cs2会发生大小相等，符号相反的变化。
如图2所示，采用图示的接口电路可将电容变化转化为电压变化。为使电路能正常工作，常需要在Cs1,Cs2两端接入匹配电容Cb1,Cb2；理想情况下，Cb1,Cb2的大小需要等于Cs1,Cs2的初始值。已有的研究和测试结果表明Cb1,Cb2对微机械加速度计的性能有重要的影响。遗憾的是，一是实际中，很难保证Cb1,Cb2的大小刚好等于Cs1,Cs的初始值；二是Cb1,Cb2的大小会随着温度、应力等外界因素变化，从而引起加速度计的输出变化，恶化加速度计的性能。
综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
在现有技术中，现有的电容式微机械加速度计电容检测存在需要外接匹配电容才能够对微机械加速度计电容差分进行检测，且匹配电容随外界因素的变化会恶化加速度计性能的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种用于电容式微机械加速度计电容检测的结构，本结构不需要外接匹配电容就可以实现微机械加速度计电容差分检测，无需外接匹配电容，匹配性更好，可以避免由于匹配电容大小的不匹配以及匹配电容的变化引起的微机械加速度计性能恶化的技术效果。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种用于电容式微机械加速度计电容检测的结构，所述结构包括：
第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、检测电容C1、C2、C3、C4，第一质量块1和第二质量块2均与第三质量块3连接，第三质量块3对第一质量块1和第二质量块2进行电气隔离，第一质量块1接电压信号V1，第二质量块2接电压信号V2，且V1＝-V2，检测电容C1的动极板和检测电容C3的动极板与第一质量块1连接，检测电容C2的动极板和检测电容C4的动极板与第二质量块2连接，检测电容C1的定极板和检测电容C2的定极板与外部引脚A通过引线连接，检测电容C3的定极板和检测电容C4的定极板与外部引脚B通过引线连接。
其中，本发明包括了一种新型的用于电容式微机械加速度计电容检测的结构，该结构的特点是：1、在微机械加速度计敏感结构中包括四组检测电容，四组检测电容的动极板与可动质量块连接，其中两组检测电容的定极板通过金属引线连接且二者的电容随质量块位移变化大小相等，符号相反，另外两组检测电容的定极板也通过金属引线连接且二者的电容随质量块位移变化大小相等，符号相反。2、可动质量块被分成三部分，其中一部分为绝缘体，另外两部分为导体且二者分别接大小相等，极性相反的电压信号。
其中，第一质量块1和第二质量块2为导体，第三质量块3为绝缘体。
其中，检测电容C1、C2、C3、C4的初始电容值相等。
其中，检测电容C1包括动极板4和定极板5；检测电容C2包括动极板6和定极板7；检测电容C3包括动极板8和定极板9；检测电容C4包括动极板10和定极板11。
其中，动极板4和动极板8与第一质量块1连接；动极板6和动极板10与第二质量块2连接；定极板5和定极板7与外部引脚A通过引线连接在一起；定极板9和定极板11与外部引脚B通过引线连接在一起。
其中，引脚A、引脚B分别与运放的正负输入端连接，设V1＝-V2＝V，运放的输出为：
Figure BDA0001336909790000021
Figure BDA0001336909790000022
Vo＝Vop-Von
其中，Vop为运放正端输出电压，Von为运放负端输出电压，V为加在动极板上的电压，Cf为运放的反馈电容，C1为电容C1的大小，C2为电容C2的大小，C3为电容C3的大小，C4为电容C4的大小，Vo为运放的差分输出电压。
其中，当质量块离开平衡位置向上运动时，C1、C4的变化量相同为-ΔC，C2、C3的变化量相同为+ΔC，运放的输出为：
Figure BDA0001336909790000023
Figure BDA0001336909790000031
Figure BDA0001336909790000032
其中，当质量块离开平衡位置向下运动时，C1、C4的变化量相同为+ΔC，C2、C3的变化量相同为-ΔC，运放的输出为：
Figure BDA0001336909790000033
Figure BDA0001336909790000034
Figure BDA0001336909790000035
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提出了一种新型的用于电容式微机械加速度计电容检测的结构，该结构不需要外接匹配电容就可以实现微机械加速度计电容差分检测，该结构的优点是本发明中的电容匹配均通过微机械加工工艺一次加工实现，无需外接匹配电容，匹配性更好，可以避免由于匹配电容大小的不匹配以及匹配电容的变化引起的微机械加速度计性能的恶化。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是微机械加速度计差分检测电容结构示意图；
图2是微机械加速度计接口电路示意图；
图3是本发明检测电容结构示意图；
图4是本发明检测电容等效电路。
具体实施方式
本发明提供了一种用于电容式微机械加速度计电容检测的结构，本结构不需要外接匹配电容就可以实现微机械加速度计电容差分检测，无需外接匹配电容，匹配性更好，可以避免由于匹配电容大小的不匹配以及匹配电容的变化引起的微机械加速度计性能恶化的技术效果。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图3所示，本发明结构包括第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3，检测电容C1,C2,C3,C4。第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3连接在一起形成一个机械整体结构，第一质量块1、第二质量块2是导体，第三质量块3是绝缘体，第三质量块3将第一质量块1和第二质量块2在电气上隔绝开，第一质量块1接电压信号V1，第二质量块2接电压信号V2，V1，V2满足V1＝-V2。检测电容C1,C2,C3,C4的初始电容值相等。检测电容C1由动极板4和定极板5形成；检测电容C2由动极板6和定极板7形成；检测电容C3由动极板8和定极板9形成；检测电容C4由动极板10和定极板11形成。动极板4和动极板8与第一质量块1连接；动极板6和动极板10与第二质量块2连接；定极板5、定极板7和外部引脚A通过引线连接在一起；定极板9、定极板11和外部引脚B通过引线连接在一起。当质量块发生位移时C1与C4的大小发生相同变化，即C1增大(减小)ΔC时，C4也增大(减小)ΔC。当质量块发生位移时C2与C3的大小发生相同变化，即C2增大(减小)ΔC时，C3也增大(或减小)ΔC。当质量块发生位移时C1、C4与C2、C3的大小发生相反变化，即C1、C4增大(减小)ΔC时，C2、C3减小(增大)ΔC。
如图4所示，引脚A、引脚B分别与运放的正负输入端连接，若设V1＝-V2＝V，运放的输出为：
Figure BDA0001336909790000041
Figure BDA0001336909790000042
Vo＝Vop-Von
当质量块离开平衡位置向上运动时，理想情况下，C1,C4的变化量为-ΔC,C2,C3的变化量为+ΔC，
C1＝C0-ΔC
C2＝C0+ΔC
C3＝C0+ΔC
C4＝C0-ΔC
Figure BDA0001336909790000051
Figure BDA0001336909790000052
Figure BDA0001336909790000053
其中，C0为质量块处于平衡位置时电容C1,C2,C3,C4的电容大小。
当质量块离开平衡位置向下运动时，理想情况下,C1,C4的变化量为+ΔC,C2,C3的变化量为-ΔC，
C1＝C0+ΔC
C2＝C0-ΔC
C3＝C0-ΔC
C4＝C0+ΔC
Figure BDA0001336909790000054
Figure BDA0001336909790000055
Figure BDA0001336909790000056
从以上推导可知，本发明在省略掉外接匹配电容的情况下，仍可实现差分电容检测。本发明中的电容匹配均通过微机械加工工艺实现，匹配性更好，对微机械加速度计性能提升具有重要意义。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种用于电容式微机械加速度计电容检测的结构，其特征在于，所述结构包括：
第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)、检测电容C1、C2、C3、C4，第一质量块(1)和第二质量块(2)均与第三质量块(3)连接，第三质量块(3)对第一质量块(1)和第二质量块(2)进行电气隔离，第一质量块(1)接电压信号V1，第二质量块(2)接电压信号V2，V1＝-V2，检测电容C1的动极板和检测电容C3的动极板与第一质量块(1)连接，检测电容C2的动极板和检测电容C4的动极板与第二质量块(2)连接，检测电容C1的定极板和检测电容C2的定极板与外部引脚A通过引线连接，检测电容C3的定极板和检测电容C4的定极板与外部引脚B通过引线连接。
2.根据权利要求1所述的用于电容式微机械加速度计电容检测的结构，其特征在于，第一质量块(1)和第二质量块(2)为导体，第三质量块(3)为绝缘体。
3.根据权利要求1所述的用于电容式微机械加速度计电容检测的结构，其特征在于，检测电容C1、C2、C3、C4的初始电容值相等。
4.根据权利要求1所述的用于电容式微机械加速度计电容检测的结构，其特征在于，检测电容C1包括动极板(4)和定极板(5)；检测电容C2包括动极板(6)和定极板(7)；检测电容C3包括动极板(8)和定极板(9)；检测电容C4包括动极板(10)和定极板(11)。
5.根据权利要求4所述的用于电容式微机械加速度计电容检测的结构，其特征在于，动极板(4)和动极板(8)与第一质量块(1)连接；动极板(6)和动极板(10)与第二质量块(2)连接；定极板(5)和定极板(7)与外部引脚A通过引线连接在一起；定极板(9)和定极板(11)与外部引脚B通过引线连接在一起。
6.根据权利要求1所述的用于电容式微机械加速度计电容检测的结构，其特征在于，引脚A、引脚B分别与运放的正负输入端连接，设V1＝-V2＝V，运放的输出为：
Figure FDA0001336909780000011
Figure FDA0001336909780000012
Vo＝Vop-Von
其中，Vop为运放正端输出电压，Von为运放负端输出电压，V为加在动极板上的电压，Cf为运放的反馈电容，C1为电容C1的大小，C2为电容C2的大小，C3为电容C3的大小，C4为电容C4的大小，Vo为运放的差分输出电压。
7.根据权利要求6所述的用于电容式微机械加速度计电容检测的结构，其特征在于，当质量块离开平衡位置向上运动时，C1、C4的变化量相同为-ΔC，C2、C3的变化量相同为+ΔC，运放的输出为：
Figure FDA0001336909780000021
Figure FDA0001336909780000022
Figure FDA0001336909780000023
8.根据权利要求6所述的用于电容式微机械加速度计电容检测的结构，其特征在于，当质量块离开平衡位置向下运动时，C1、C4的变化量相同为+ΔC，C2、C3的变化量相同为-ΔC，运放的输出为：
Figure FDA0001336909780000024
Figure FDA0001336909780000025
Figure FDA0001336909780000026
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