CN108351368B - 具有两个测量范围的mems摆锤加速计 - Google Patents

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Abstract

精细控制阶段，其中第一电压被施加在固定电极中的一者与可移动电极之间，同时固定电极中的另一者处于与可移动电极相同的电势；以及扩展控制阶段，其中第二电压被施加在固定电极之一与可移动电极之间，另一个固定电极处于与可移动电极相同的电势，并且第二电压在绝对值上高于第一电压。

Description

具有两个测量范围的MEMS摆锤加速计
技术领域
本发明涉及藉由惯性传感器，并且更具体地藉由摆锤加速计传感器(例如，微机电系统(MEMS)型)来检测物理量。
背景技术
静电摆锤加速计包括外壳，该外壳经由一个或多个铰链连接至惯性质量块，该一个或多个铰链按使得该惯性质量块形成可相对于外壳要么平移地要么旋转地移动的摆锤的方式放置。惯性质量块在加速度效应下的移动通常藉由三个电极来检测。第一固定电极和第二固定电极被固定到外壳并且它们被连接至激励电路。第三电极是可移动的，它由摆锤承载，并且它被连接至检测器电路。
每个固定电极与可移动电极协作以形成电容器，该电容器的电容量取决于它们之间的间距。在不存在任何制造缺陷的情况下并且倘若传感器没有经受沿其传感轴的加速度时，摆锤保持在中立位置，在此位置，这两个电容是相同的。相反，当摆锤经受沿其传感轴的加速度时，它就移动，由此降低了可移动电极与固定电极中的一者之间形成的电容量，同时增加了可移动电极与另一个固定电极之间形成的电容量。电容量中的这种变化也取决于外壳和摆锤的变形。
在闭环操作中，摆锤的位置通过向摆锤施加静电力而被伺服控制到其中立位置或设定点位置(固定电极之间的半程位置)。因此，静电力必须能够补偿沿感测轴施加的加速度，由此使得估计加速度是可能的。静电力是向电极施加电压以保持电容量之间的差为零的结果。
发明目的
传感器的漂移性能与其测量范围程度之间的比率由制造传感器的机械结构和电子电路的准确性来确定。
为了制造在大测量范围下具有很小漂移的传感器，目前必须利用准确的并且因此昂贵的机械和电子结构。本发明寻求克服该限制。
发明内容
为此，提供了一种加速计传感器，该加速计传感器包括固定有摆锤形成的惯性主体的结构，该惯性主体承载连接至控制单元的可移动电极，该控制单元也连接至固定于该结构的两个固定电极以便与可移动电极协作以形成两个电容器，这两个电容器的电容根据电极之间的距离而变。控制单元被安排成执行测量电容的操作以及根据所测得电容的控制操作，其中电压被施加于电极以便将摆锤保持在预定位置。这些操作是通过施加脉冲来执行的。根据本发明，控制操作包括：
选择性地：
精细控制阶段，其中第一电压被施加在固定电极中的一者与可移动电极之间，同时另一个固定电极处于与可移动电极相同的电势；或者
扩展控制阶段，其中第二电压被施加在固定电极中的一者与可移动电极之间，另一个固定电极处于与可移动电极相同的电势，并且第二电压在绝对值上大于第一电压。
由此：
通过发送中等振幅的命令获得最佳偏置性能。这对应于“精细”操作模式；
在“扩展”操作模式中，大幅度命令可被发送，由此使得动态范围能被扩展至对偏置性能的损害。
一般来说，传感器的全刻度是很少需要的，除非在传感器的载体正经受强烈加速或减速时，例如在载体的突然移动期间、作为碰撞结果或载体突然停止的结果。相反，全刻度通常在载体移动的其它阶段期间不被使用。
本发明由此使得以下成为可能：
在精细控制阶段期间，确保小测量范围上的最佳性能；以及
在扩展控制阶段期间，在性能潜在降级的情况下在扩展范围上进行测量。
由此，在本发明的情况下，传感器的性能在平均操作历时上保持最佳，因为扩展控制范围通常很少在标称利用(即，除了诸如校准或测试之类的特殊操作)中被正常使用。
在特定实施例中，在精细控制阶段期间，基准电势被施加于所述固定电极中的一者，并且第二电势被施加于所述可移动电极和所述另一个固定电极，而在扩展控制阶段中，基准电势被施加于所述固定电极中的一者并且相反极性的基准电势被施加于所述可移动电极以及还有所述另一个固定电极两者。
该实施例使得限制所使用的电压数目，由此使得传感器更易于设计和制造成为可能。
随后优选的是，第二电势为零。
本发明还提供了一种藉由传感器来检测加速度的方法。
在阅读了下面的对本发明的特定、非限制性实施例的描述之后，本发明的其他特征以及优点将显现。
附图简述
参考各附图，在附图中：
图1是本发明的传感器的示意图；
图2是在本发明的传感器中使用的数模转换器的示意图；以及
图3是示出在其扩展范围中的传感器的操作的时序图。
具体实施方式
参照附图，在该示例中，本发明的加速计传感器是通过蚀刻晶体或半晶体材料尤其是硅的晶片制造的微机电系统(MEMS)。
该传感器包括结构1，结构1具有与其铰链连接的摆锤形成的惯性主体2，该惯性主体2承载相对于结构1可移动的电极3。
两个固定电极4.1和4.2被固定于结构1以便与可移动电极3协作以形成两个电容器，这两个电容器的电容根据电极4.1与3以及还根据电极4.2与3之间的距离而变。
电极3、4.1和4.2被连接至给予整体标记5的电子控制单元。
控制单元5具有已知结构的电子控制电路，该已知结构包括连接至减法器7的负输入端的第一估计器6，该减法器7的输出端连接至校正器8的输入端。校正器8的第一输出端连接至定序器9而第二输出端连接至第二估计器10，第二估计器10的第一输出端形成控制单元5的主输出端，而第二输出端连接至减法器7的正输入端。
控制单元5被连接至给予总体标记11.1、11.2的数模转换器，该数模转换器经由开关12.1、12.2被相应地连接至固定电极4.1、4.2。
每个数模转换器11.1、11.2具有开关13，开关13被控制单元5控制并且拥有处于基准电势+Vref的第一输入端子；处于基准电势的反量，即-Vref的第二输入端子；连接至零电势的第三输入端子；以及连接至阻抗匹配电路14的输出端子。阻抗匹配电路14本身是已知的，并且包括连接至运算放大器16的负输入端的输入电阻器15，运算放大器16通过反馈电容器17和电阻器18成环。反馈电容器17的电容确定上升和下降时间，由此使得控制相应地被施加在电极4.1与3之间以及电极4.2与3之间的充电和放电电流成为可能。
数模转换器11.1的输出端V1连接至开关12.1的第一端子和开关12.2的第一端子。数模转换器11.2的输出端V2连接至开关12.1的第二端子和开关12.2的第二端子。开关12.1的第三端子Vh连接至第一固定电极4.1，而开关12.2的第三端子Vb连接至第二固定电极4.2。开关12.1和12.2被控制以将其第三端子要么连接至其第一端子要么连接至其第二端子。
可移动电极3的输出端Vc连接至开关20的第一端子，开关20的第二端子V2连接至数模转换器11.2的输出端V2并且第三端子V0连接至负载放大器21的反相输入端，负载放大器21具有反馈电容器22和反馈开关23。负载放大器21的输出端Vd连接至模数转换器24，模数转换器24连接至第一估计器6的输入端。
定序器9发出以下命令：
C1用于控制数模转换器11.1的开关13；
C2用于控制数模转换器11.2的开关13；
Dh用于控制开关12.1；
Db用于控制开关12.2；
Dc用于控制开关20；
R用于控制开关23；以及
S用于控制模数转换器24。
控制单元被安排成发出致使电极3与4.1之间以及还有电极3与4.2之间的电容要被测量的逻辑信号ED1、ED2，以及致使根据所测得的电容来递送脉冲以便将摆锤维持在预定位置(即，固定电极4.1与4.2之间的中间位置)的逻辑信号EC。
控制操作选择性地包括精细控制阶段和扩展控制阶段。在精细控制阶段中，第一电压被施加在固定电极4.1、4.2中的一者与可移动电极3之间，同时另一个固定电极4.1、4.2处于与可移动电极3相同的电势。在扩展控制阶段期间，第二电压被施加在固定电极4.1、4.2中的一者与可移动电极3之间，同时另一个固定电极4.1、4.2处于与可移动电极3相同的电势。第二电压是绝对值大于第一电压的电压。
更精确地，在精细控制阶段中，基准电势Vref被施加于所述固定电极4.1、4.2中的一者，而第二电势(在该示例中为零)被施加于所述可移动电极3和所述另一个固定电极4.1、4.2。
更精确地，在扩展控制阶段中，基准电势Vref被施加于所述固定电极4.1、4.2中的一者，而具有相反极性的基准电势被施加于所述可移动电极3和所述另一个固定电极4.1、4.2。
逻辑命令Dc、Dh、Db和Ec满足以下布尔关系：
Figure BDA0001660731470000051
图3的时序图示出了在采样周期Ts期间在扩展范围中执行的各种操作，该采样周期Ts包括两个检测时段Td(对应于信号ED1和ED2)以及一个控制时段Tc(对应于信号EC)。
可看出，在扩展阶段中，输出端V1、V2和Vc可取决于要施加在摆锤上的力的方向而采用电势+Vref或-Vref。施加于电容器Ch(在电极4.1与3之间)的电压是(1+bs)Vref，而施加于电容器Cb(在电极4.2与3之间)的电压是(1-bs)Vref，其中bs取决于要施加在摆锤上的力的方向。
相反，在精细阶段中，输出端V1、V2和Vc可取决于要施加在摆锤上的力的方向而采用电势+Vref或0。在此类情形中，施加于电容器Ch(在电极4.1与3之间)的电压是(1+bs)Vref/2，而施加于电容器Cb(在电极4.2与3之间)的电压是(1-bs)Vref/2，其中bs取决于要施加在摆锤上的力的方向。精细范围中的控制脉冲的有效性由此被除以4。
在检测操作期间，其中Q0是由处于断开的开关23注入的电荷，而vos是输出端处与负载放大器21的偏移电压，两个采样实例处来自负载放大器21的输出电压由以下给出：
Figure BDA0001660731470000061
Figure BDA0001660731470000062
电容之间的差值可如下地从中导出：
Figure BDA0001660731470000063
在一阶下，位置z是以上差的仿射函数。
控制单元5管理设备的操作，具体来说管理以频率Fs(周期Ts＝1/Fs，参见图3)的各个采样操作的时序。控制单元5以顺序和循环方式来控制数模转换器11.1、11.2和模数转换器24、以及模拟开关12.1、12.2和20。
取决于命令Dc的逻辑状态，可移动电极3被连接至负载放大器21的反相输入端或者连接至数模转换器11.2的输出端v2。
取决于命令Dh的逻辑状态，固定电极4.1被连接至数模转换器11.1的输出端v1或数模转换器11.2的输出端v2。
取决于命令Db的逻辑状态，固定电极4.2被连接至数模转换器11.1的输出端v1或数模转换器11.2的输出端v2。
施加于电极4.1、3和4.2的电压vh、vc和vb被排序以测量Ch、测量Cb并且随后施加使得摆锤能被伺服控制到由控制单元5强加的其设定点位置的静电力。
在检测阶段中，可移动电极3被连接至负载放大器21的反相输入端，负载放大器21具有来自电容器22的电容Cref以及如由来自定序器9的逻辑信号R控制的开关23的反馈。通过负反馈，该负载放大器21永久性地将电势v0维持在零附近。
负载放大器21的输出电压vd由模数转换器24在逻辑信号S的控制下被转换成数字量值y。
估计器6从量值y提供对摆锤的移动的估计值
Figure BDA0001660731470000071
估计器10提供设定点zc，这使得补偿因电极4.1与3之间以及电极3与4.2之间的电容的静态非对称性而导致的偏移成为可能。
差
Figure BDA0001660731470000072
被数字校正器8伺服控制为零，数字校正器8根据其适合于推还是拉摆锤来准备值为+1或-1的命令bs以便使校正器8的输入返回到零。
如果bs＝+1，则电压被施加于电极4.1，这将摆锤朝它拉。
如果bs＝-1，则电压被施加于电极4.2，这随后将摆锤朝它拉。
估计器10准备对需要被测量的加速度的估计
Figure BDA0001660731470000073
并且它还准备设定点zc。
定序器9对采样周期Ts内的以及从一个采样周期到另一采样周期的操作定序。
最后，控制单元5根据值
Figure BDA0001660731470000074
(将值
Figure BDA0001660731470000075
与一阈值作比较)以自主方式选择操作范围，要么是扩展范围要么是精细范围。模拟开关12.1、12.2和20的响应时间中的差异是脉冲中的不对称性的主要来源。为了补救这一点，检测操作(测量电容Ch和Cb，图3中标记为Td)和控制操作(图3中标记为Tc)被所谓的“驰豫”阶段(图3中称为Tr)分隔开，在该“驰豫”阶段期间，开关12.1、12.2和20中的每一者被预定位，而施加于其终端的这三个电压是相同的。然而，在某些阶段期间，使得施加于这三个电极的电压同时变化是必要的。出于该目的，它们在导致其输出变化之前被先前连接至数模转换器11.2。这些阶段在图3的时序图中被标记为Ti。
当然，本发明不限于所描述的各实施例，而是涵盖来自如由权利要求书限定的本发明的范围内的任何变型。
特别是，以上操作的时序可能与所描述的不同。例如，在精细范围中执行的开关操作的数目可被减少，或者脉冲的历时、振幅和符号可被修改。另外，检测阶段可从一个周期到另一周期地重排列以便改善操作对称。
扩展范围中的电压可以可任选地是精细范围中的电压的整数倍。
精细范围中的低电势可以不是零。
将对加速度的估计与之作比较的阈值可在工厂中被永久设定，或者它可根据传感器的利用条件或者传感器所需要的性能来修改。

Claims (9)

1.一种加速计传感器，所述加速计传感器包括固定有摆锤形成的惯性主体的结构，所述惯性主体承载连接至控制单元的可移动电极，所述控制单元也连接至固定于所述结构的两个固定电极以便与所述可移动电极协作以形成两个电容器，所述两个电容器的电容根据所述电极之间的距离而变，所述控制单元被安排成执行测量所述电容的操作以及根据所测得电容的控制操作，其中电压被施加于所述电极以便将所述摆锤保持在预定位置，这些操作通过施加脉冲来执行，所述传感器的特征在于所述控制操作选择性地包括：
“精细”控制阶段，其中第一电压被施加在所述固定电极中的一者与所述可移动电极之间，同时另一个固定电极处于与所述可移动电极相同的电势；或者
“扩展”控制阶段，其中第二电压被施加在所述固定电极中的一者与所述可移动电极之间，所述另一个固定电极处于与所述可移动电极相同的电势，并且所述第二电压在绝对值上大于所述第一电压；以及
其中所述控制阶段根据对如从所测得的电容获得的所述加速度的估计来选择。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，在所述精细控制阶段期间，基准电势被施加于所述固定电极中的一者，并且第二电势被施加于所述可移动电极和所述另一个固定电极，而在所述扩展控制阶段期间，所述基准电势被施加于所述固定电极中的一者并且相反极性的所述基准电势被施加于所述可移动电极以及还有所述另一个固定电极两者。
3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述第二电势为零。
4.如任何前述权利要求所述的传感器，其特征在于，所述控制单元包括连接至所述固定电极中的相应一个固定电极的两个数模转换器。
5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，每个数模转换器包括开关，所述开关被所述控制单元控制并且拥有处于基准电势的第一输入端子、处于所述基准电势的反量的第二输入端子、处于零电势的第三输入端子以及输出端子。
6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述输出端子被连接至阻抗匹配电路。
7.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述可移动电极(3)被连接至模数转换器(24)的输入端，所述模数转换器(24)的输出端连接至第一估计器(6)的输入端，所述第一估计器(6)连接至减法器(7)的负输入端，所述减法器(7)的输出端连接至校正器(8)的输入端，所述校正器(8)的第一输出端连接至定序器(9)并且第二输出端连接至第二估计器(10)，所述第二估计器(10)的第一输出端形成所述控制单元(5)的主要输出端并且第二输出端连接至所述减法器(7)的正输入端；所述第一估计器被安排成从所述电容之间的电势差提供对所述摆锤的移动的第一估计，所述第二估计器被安排成提供对所述移动的第二估计以及用于补偿因所述电容的静态对称性而导致的偏移的控制设定点，所述校正器被安排成将所述设定点与所述第一估计之差伺服控制为零，所述定序器被安排成控制所述传感器。
8.如权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述可移动电极(3)被连接至开关(20)的第一端子，所述开关(20)的第二端子连接至数模转换器(11.2)的所述输出端，所述数模转换器(11.2)连接至所述固定电极中的一者(4.2)和第三端子，所述第三端子经由电容器(22)和开关(23)连接至具有反馈的负载放大器(21)的反相输入端，所述负载放大器的输出端连接至所述模数转换器(24)，所述模数转换器(24)连接至所述第一估计器(6)的所述输入端。
9.一种藉由加速计传感器来检测加速度的方法，所述加速计传感器包括固定有摆锤形成的惯性主体的结构，所述惯性主体承载连接至控制单元的可移动电极，所述控制单元连接至固定于所述结构的两个固定电极以便与所述可移动电极协作以形成两个电容器，所述两个电容器的电容根据所述电极之间的距离而变，所述方法包括测量所述电容的操作以及根据所测得电容的控制操作，其中电压被施加于所述电极以便将所述摆锤保持在预定位置，这些操作通过施加脉冲来执行，所述方法的特征在于所述控制操作选择性地包括：
“精细”控制阶段，其中第一电压被施加在所述固定电极之一与所述可移动电极之间，同时另一个固定电极处于与所述可移动电极相同的电势；或者
“扩展”控制阶段，其中第二电压被施加在所述固定电极中的一者与所述可移动电极之间，所述另一个固定电极处于与所述可移动电极相同的电势，并且所述第二电压在绝对值上大于所述第一电压；以及
其中所述控制阶段根据对如从所测得的电容获得的所述加速度的估计来选择。
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