CN110275047A - 加速度传感器、电容检测电路、加速度处理电路及方法 - Google Patents

加速度传感器、电容检测电路、加速度处理电路及方法 Download PDF

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Abstract

一种加速度传感器、电容检测电路及方法、加速度处理电路及方法。加速度传感器包括：底座；固定于所述底座之上的固定电极；相对于所述固定电极可移动的质量块；以及固定于所述质量块之上的导电电极，其中，所述导电电极的正投影与所述固定电极的正投影的重叠面积可变，所述导电电极和所述固定电极被配置为形成电容器。

Description

加速度传感器、电容检测电路、加速度处理电路及方法
技术领域
本公开的实施例涉及一种加速度传感器、电容检测电路及方法、加速度处理电路及方法。
背景技术
加速度传感器具有体积小、质量轻且方便灵活等特点，因此在飞行器控制、汽车安全等领域有着广泛的用途。
加速度传感器的类型有压阻式、压电式、谐振式、隧道电流式和电容式。电容式微加速度传感器具有结构简单、输出稳定、温度漂移小且易于测试集成等优点，有利于大规模生产。
发明内容
本公开的至少一个实施例提供一种加速度传感器，包括：底座；固定于所述底座之上的固定电极；相对于所述固定电极可移动的质量块；以及固定于所述质量块之上的导电电极；其中，所述导电电极的正投影与所述固定电极的正投影的重叠面积可变，所述导电电极和所述固定电极被配置为形成电容器。
例如，在一些实施例中，所述加速度传感器，还包括位于所述导电电极和所述固定电极之间的电介质层。
例如，在一些实施例中，所述加速度传感器，还包括底座上的悬臂梁，所述质量块连接在所述悬臂梁上。
例如，在一些实施例中，所述悬臂梁的一端与所述底座连接，另一端与所述质量块连接。
例如，在一些实施例中，所述悬臂梁包括弹簧。
例如，在一些实施例中，所述电容器的电容值与所述加速度传感器的加速度为线性关系。
本公开的至少一个实施例还提供一种电容检测电路，用于监测所述加速度传感器的电容器的电容值，包括：第一电容器和检测子电路，其中，所述第一电容器的两端分别与所述加速度传感器的固定电极和导电电极电气相连；以及所述检测子电路被配置为将所述第一电容器的电容值转换为检测信号，并输出所述检测信号。
例如，在一些实施例中，所述检测子电路包括：第一开关、第二开关、第三开关、第二电容器、电阻、生成子电路以及存储子电路；其中，所述第一电容器被配置为：当所述第一开关导通时进行充电；以及当所述第一开关截止、所述第二开关和所述第三开关均导通时，进行放电并对所述第二电容器进行充电；所述生成子电路被配置为根据所述第二电容器的电压和参考电压，生成所述检测信号，其中，当所述第二电容器的电压低于所述参考电压时，生成的所述检测信号处于第一电平，当所述第二电容器的电压不低于所述参考电压时，生成的所述检测信号处于第二电平；所述第二电容器被配置为在所述检测信号处于所述第二电平时，通过所述电阻进行放电；以及所述存储子电路被配置为缓存并输出所述检测信号。
例如，在一些实施中，所述检测子电路还包括：第一反相器，被配置为将时钟信号端输入的时钟信号反相并输出至所述第一开关的控制极；以及第二反相器，被配置将所述检测信号反相并输出至所述第三开关的控制极，使得当所述检测信号处于所述第一电平时，所述第三开关导通。
例如，在一些实施中，所述检测子电路还包括：第四开关，被配置为在所述检测信号处于所述第二电平时导通，使得所述第二电容器通过所述电阻放电。
例如，在一些实施中，所述第一反相器的输入端与时钟信号端连接，所述第一反相器的输出端与所述第一开关的控制极连接；所述第二反相器的输入端与所述生成子电路的输出端连接，所述第二反相器的输出端与所述第三开关的控制极连接；所述第一开关的第一极与第一电源端连接以接收输入的第一电压，第二极与所述第一电容器的第一端连接；所述第一电容器的第二端接地；所述第二开关的控制极与所述时钟信号端连接以接收所述时钟信号，第一极与所述第一电容器的第一端连接，第二极与所述第二电容器的第一端连接；所述第三开关的第一极与所述第二电容器的第二端连接，第二极与所述第一电容器的第二端连接；以及所述第四开关的控制极与所述生成子电路的输出端连接，第一极与所述电阻的第一端连接，第二极与所述第二电容器的第二端连接。
例如，在一些实施中，所述生成子电路包括比较器；所述比较器的正相输入端分别与所述第二电容器的第一端和所述电阻的第二端连接，反相输入端与参考电压端连接以接收所述参考电压，输出端与所述第二反相器的输入端连接。
例如，在一些实施中，所述存储子电路包括锁存器，所述锁存器的输入端与所述生成子电路的输出端连接。
例如，在一些实施中，所述检测信号包括方波信号，所述方波信号的脉冲个数与所述加速度传感器的加速度为线性关系。
本公开的至少一个实施例还提供一种用于所述的电容检测电路的电容检测方法，包括：对所述第一电容器进行充电；重复充放电操作直至所述第一电容器的电荷释放完毕，其中，所述充放电操作包括：通过对所述第一电容器进行放电，实现对所述第二电容器进行充电；以及对所述第二电容器进行放电；根据所述第二电容器的电压和参考电压，生成所述检测信号，其中，当所述第二电容器的电压低于所述参考电压时，生成的所述检测信号处于第一电平，当所述第二电容器的电压不低于所述参考电压时，生成的所述检测信号处于第二电平；以及缓存并输出所述检测信号。
本公开的至少一个实施例还提供一种加速度处理电路，包括所述的电容检测电路、加速度计算子电路和处理子电路，其中，所述电容检测电路被配置为输出所述检测信号至所述加速度计算子电路；所述加速度计算子电路被配置为根据所述检测信号，计算加速度的关联参数值；以及所述处理子电路被配置为根据所述加速度的关联参数值，执行相应的安全保护措施。
例如，在一些实施中，所述关联参数值与所述加速度传感器的加速度为线性关系。
例如，在一些实施例中，所述检测信号包括方波信号，所述关联参数值包括所述方波信号的脉冲个数。
例如，在一些实施中，所述处理子电路被配置为当所述方波信号的脉冲个数小于设定阈值时，执行所述安全保护措施。
例如，在一些实施例中，所述安全保护措施包括：打开安全气囊、拨打报警电话、发出提示信息或者生成警示信号。
本公开的至少一个实施例还提供一种用于所述的加速度处理电路的加速度处理方法，包括：监测所述加速度传感器中的电容器并将监测结果转换为检测信号；根据所述检测信号，计算加速度的关联参数值；以及根据所述加速度的关联参数值，执行相应的安全保护措施。
例如，在一些实施中，所述检测信号为方波信号；所述根据所述检测信号，计算加速度的关联参数值，包括：在预定时间段内，统计所述方波信号的脉冲个数；以及所述根据所述加速度的关联参数值，执行相应的安全保护措施，包括：判断所述脉冲个数是否小于设定阈值；以及当所述脉冲个数小于所述设定阈值时，执行所述安全保护措施。
本公开的至少一个实施例还提供一种存储介质，在其上存储有计算机指令，其中，所述计算机指令被处理器运行时执行上述加速度处理方法中的一个或多个步骤。
本公开的至少一个实施例还提供一种电子设备，包括一个或多个处理器，所述处理器被配置为运行计算机指令以执行上述加速度处理方法中的一个或多个步骤。
本公开的实施例通过加速度传感器来将感知的加速度转化为电容器的电容值，且采用本公开实施例的加速度传感器转化得到的电容器的电容值与感知的加速度之间满足线性关系，因此便于数据计算、处理和监测。本公开实施例还通过电容检测电路来将加速度传感器感知的电容器的电容值进一步转化为便于检测和统计的检测信号(例如，方波信号)，从而可以迅速且灵敏的监测到电容器的电容值。本公开实施例的加速度处理电路还可以根据电容检测电路所输出的检测信号来控制汽车等交通运输工具执行安全措施，进而实现对驾驶员和乘客的人身进行保护。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1为本公开实施例提供的加速度传感器的俯视图之一；
图2为本公开实施例提供的沿图1的A-A面剖开的剖面图；
图3A为本公开实施例的加速度传感器的俯视图之二；
图3B为本公开实施例提供的沿图3A的B-B面剖开的剖面图；
图4为本公开实施例的在加速度作用下的加速度传感器的位移形变示意图；
图5A、图5B、图5C以及图5D为本公开实施例提供的加速度传感器的工作过程示意图；
图6A为本公开实施例提供的加速度为零时的加速度传感器的电容器的结构图；
图6B为本公开实施例提供的加速度大于零时的加速度传感器的电容器的结构图；
图7A为本公开实施例提供的加速度传感器的加速度与电容器的电容值之间的关系图；
图7B为一种叉指式加速度传感器的加速度与电容器的电容值之间的关系图；
图8为本公开实施例提供的电容检测电路的组成框图；
图9A为本公开实施例提供的电容检测电路的电路图之一；
图9B为本公开实施例提供的电容检测电路的电路图之二；
图10A为本公开实施例提供的第二电容器的充放电过程与检测信号之间的对应关系图之一；
图10B为本公开实施例提供的第二电容器的充放电过程与检测信号之间的对应关系图之二；
图11A为本公开实施例提供的加速度传感器的加速度与检测信号输出的高电平的次数之间的关系图之一；
图11B为本公开实施例提供的加速度传感器的加速度与检测信号输出的高电平的次数之间的关系图之二；
图11C为一种叉指式加速度传感器的加速度与检测信号输出的高电平的次数之间的关系图；
图12为本公开实施例提供的电容检测方法的流程图；
图13为本公开实施例提供的加速度处理电路的组成框图；
图14为本公开实施例提供的加速度处理方法的流程图；
图15为本公开实施例提供的封装电路的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，参考在附图中示出并在以下描述中详述的非限制性示例实施例，更加全面地说明本公开的示例实施例和它们的多种特征及有利细节。应注意的是，图中示出的特征不是必须按照比例绘制。所给出的示例仅旨在有利于理解本公开实施例的实施，以及进一步使本领域技术人员能够实施示例实施例。因而，这些示例不应被理解为对本公开的实施例的范围的限制。
除非另外特别定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的元器件。此外，在本公开各个实施例中，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。本公开示例中的相邻层之间不一定紧密接触，可能存在一定的间隙。
本公开实施例提出了一种加速度传感器、电容检测电路及方法、以及加速度处理电路及方法。本公开实施例的加速度传感器、电容检测电路以及加速度处理电路可以应用在需要进行加速度检测的场景中。
例如，可以将本公开实施例的加速度传感器、电容检测电路以及加速度处理电路应用在车辆高速碰撞时的加速度检测。具体地，通过本公开实施例提供的加速度传感器将车辆的加速度转化成与该加速度满足线性关系的电容器的电容值，再由电容检测电路来监测电容器的电容值，并将监测结果转化成方便处理的检测信号(例如，方波信号)，最后由加速度处理电路根据检测信号来确定车辆是否发生了碰撞以及碰撞的严重程度。在一些实施例中，当碰撞的不严重时(例如，通过检测电容判断得到的加速度a小于某个设定的阈值)则不启动安全保护措施(例如，安全保护措施包括安全气囊)。在另一些实施例中，当碰撞的严重时(例如，通过检测电容判断得到的加速度大于某个设定的阈值)，则需要启动安全保护措施(例如，启动安全气囊)。具体地，电容检测电路可以将检测信号(例如，方波信号)发送给加速度计算子电路和处理子电路，再由加速度计算子电路和处理子电路来根据检测信号迅速确定汽车是否发生了碰撞以及是否应该启动安全保护措施(例如，启动安全气囊)。当判断车辆发生了严重碰撞后，车载电子控制单元ECU会向点火器发送命令，点火器响应于该命令进行点火。随后气体发生器会产生大量的气体(例如，N2)，并将N2输出至安全气囊来保护乘客人身安全。
下面结合图1-图7B介绍本公开的加速度传感器100。
如图1所示，本公开实施例提供一种加速度传感器100，该加速度传感器100可以包括：底座101，固定于底座101之上的固定电极103，相对于固定电极103可移动的质量块102，以及固定于质量块102之上的导电电极104。导电电极104的正投影与固定电极103的正投影的重叠面积可变，且导电电极104和固定电极103被配置为形成电容器。例如，固定电极103的正投影为该固定电极103在底座101表面上的正投影，导电电极104的正投影为该导电电极104在底座101表面上的正投影。在一些示例中，固定电极103位于导电电极104的上方或者下方，固定电极103的正投影与导电电极104的正投影相互重叠，且随着加速度传感器100的运动，该重叠面积可以发生变化。参考图1可知，在与底座101的表面垂直的方向上，导电电极104和固定电极103重叠，并且重叠面积可变。导电电极104和固定电极103被配置为形成电容器。
在一些实施例中，底座101可以为一个水平放置的基板(例如，水平地固定于机动车中)，相应地，加速度传感器100用于感知水平方向上的加速度。此时，导电电极104和固定电极103在竖直方向上存在重叠且形成了重叠面积。例如，重叠面积可以包括图1虚线框示出的导电电极104所在的矩形区域。
需要说明的是，本公开实施例并不限定底座101的放置方向。例如，可以根据检测的加速度的方向来确定底座101的放置方向。
如图1所示，在一些示例中，质量块102上设置有一个矩形区域，并在这个矩形区域中设置导电电极104对应的导电层。例如，所述矩形区域可以包括：在加速度为0时，固定电极103在质量块102的表面上所形成的正投影的一部分，并且该正投影部分与质量块102相重合。例如，质量块102可以由较厚的硅单晶基片部分构成。
此外，本公开实施例还可以通过设置多个加速度传感器100来感知多个不同方向的加速度。
为了进一步提高加速度传感器100所感知的加速度的灵敏性，可以在加速度传感器100所包括的固定电极103和导电电极104之间设置电介质层109。例如，电介质层109的制作材料可以包括但不限于石蜡、云母、钻石和聚酯等。
下面以图2为范例示例性介绍包含电介质层109的加速度传感器100。
图2为沿图1的A-A面剖开的剖面图，且图2示出的加速度传感器100由下至上依次包括：底板101、质量块102、导电电极104、电介质层109以及固定电极103。需要注意的是，图2示出的质量块102与底板101之间并不是紧密接触的，这是为了使质量块102相对于底座101可平行移动。例如，质量块102与底板101之间的距离可以为0.5mm。例如，导电电极104也可以嵌入质量块102中。
在另外一些示例中，加速度传感器100由下至上可以依次包括：底板101、固定电极103、电介质层109、导电电极104以及质量块102。本公开在此不作限定。
本公开的上述实施例，由于在固定电极103和导电电极104之间增加了电介质层109，因此可以有效提高具有重叠面积的平板电容的电容值。由于电容器的电容值增加，因此提高了加速度传感器100感知加速度的灵敏性。
在本公开的至少一个实施例中，为了将质量块102固定于底座101上，并使质量块102在与底座101平行的第一方向(即加速度a所在的方向)发生一定位移，加速度传感器100还可以包括底座101上的悬臂梁105，且质量块102连接在悬臂梁105上。
如图1，通过悬臂梁105可以将质量块102连接在底座101上。例如，可以将悬臂梁105的一端通过第一固定部件106与底座101连接，该悬臂梁105的另一端通过第二固定部件107连接于质量块102上。例如，可以包括采用微加工工艺堆积得到第一固定部件106。例如，第二固定部件107包括螺钉。
在一些实施例中，悬臂梁105包括弹簧或其它能够发生形变的弹性部件(例如，刚性悬臂梁)。例如，图1示出的加速度传感器100包括四根可发生一定弹性形变的悬臂梁105。本公开对悬臂梁105的数目不作限定。在一些示例中，采用弹簧作为悬臂梁105，则质量块102移动的距离的大小与弹簧的弹力相关。另外，采用弹簧作为悬臂梁105的加速度传感器100的体积相对较大，而采用刚性悬臂梁作为悬臂梁105的加速度传感器100的体积相对较小。
在一些实施例中，还通过固定部件108来将固定电极103的两端固定在底座101上。例如，采用微加工工艺堆积得到固定部件108。
图1中的加速度传感器100还包括与固定电极103电连接的第一导线205，以及与导电电极104电连接的第二导线206。需要说明的是，本公开实施例并不限定第二导线206在质量块102上的设置位置，也就是说第二导线206也可以设置于不同于图1的其他位置，只要保证第二导线206可以与导电电极104电连即可。本公开实施例可以通过第一导线205和第二导线206来输出加速度传感器100中的电容器的电容值，以便电容检测电路将这个电容值转化为检测信号。
本公开实施例并不限定质量块102上设置的导电电极104的数量，相应的本公开实施例也不限定在底座101上固定的固定电极103的数量。通过设置多个导电电极104和多个固定电极103可以得到多个并联的平板电容器，进而提高加速度传感器100在感知加速度时的灵敏性。
如图3A所示，在加速度传感器100的质量块102上平行且间隙地设置了n个导电电极(104a……104n)，相应的在底板101上平行且间隙地设置了n个固定电极(103a……103n)，其中n为大于1的整数。
为了把n个固定电极(103a……103n)固定在底座101上，图3A还示出了将这些固定电极固定在底板101上的多个固定部件(108a……108n)。
图3B为沿图3A的B-B切开的剖面图。从图3B所示可知，在每个导电电极(104a……104n)和每个固定电极(103a……103n)的两极板之间还分别设置了电介质层109。
在另外一些示例中，可以调整图3B中加速度传感器100的各层之间的关系。例如，加速度传感器100由下至上可以依次包括：底座101、多个平行且间隙设置的固定电极(103a……103n)、与多个固定电极(103a……103n)相应设置的电介质层109、多个平行且间隙设置的导电电极(104a……104n)以及质量块102。
通过本公开上述实施例的加速度传感器100可以使得电容器的电容值与加速度传感器100所感知的加速度之间满足线性关系，下面将结合图4-图7B来论证两者之间的线性关系。
图1为加速度为0时加速度传感器100的示意图，图4为本公开的加速度传感器100在加速度为a时的形变示意图。
图4的加速度传感器100在加速度a的作用下，使质量块102与底座101之间发生了相对位移，并使得导电电极104和固定电极103之间的重叠面积发生了变化(例如，图4中的导电电极104有部分区域移出了图1示出的矩形重叠区)。相应的，悬臂梁105的、与质量块102相连的一端也发生了一定形变。
为了说明图4相对于图1的形变量可以进一步参考图5A-图5D。在图5A与图5D中仅以刚性悬臂梁作为示范，推导了相关的计算公式。
图5A中的加速度传感器100的加速度为0，且对应的电容器的初始电容值C0如图6A所示。图5C中的加速度传感器100的加速度为a，质量块102在加速度a的作用下相对于图5A的初始位置发生的位移为w，且此时加速度传感器100的电容器的电容值C如图6B所示。
结合上述图5A-5D可知，在加速度a的作用下，质量块102向左移动的距离为w。由于4根悬臂梁105各有一端与质量块102连接在一起，其移动距离同样是w。
根据图5A-图5D得到如下惯性力公式①和悬臂梁105的位移公式②：
4F＝ma ①
上述公式①中F表示单个悬臂梁105对质量块102的作用力(如图5B所示)，m表示质量块102的质量，a表示加速度传感器100的加速度。
上述公式②中的EI表示的是悬臂梁105的抗弯刚度，其中E表示悬臂梁105的弹性模量(即产生单位应变时所需的应力)，I表示悬臂梁105的材料横截面对弯曲中性轴的惯性矩；L表示悬臂梁105的长度(如图5B所示)。
假设在图6A中，固定电极103与导电电极104之间的重叠面积为S0。在加速度a的作用下，当质量块102向左移动距离w后(即图6B)固定电极103与导电电极104之间的重叠面积变为了S。例如，由下面的公式③和公式⑤可知，加速度传感器所形成的电容器的电容值C(或，C0)，固定电极103与导电电极104之间的重叠面积S(或，S0)，两者为正相关的线性关系。即，重叠面积S越大，电容值C越大。
根据上述参量，得到计算图6A的电容值C0以及计算图6B的电容值C的公式分别如下：
S0＝eb ④
S＝(e-w)b ⑥
上述公式③和公式⑤中的εr表示电介质层109的介电常数，π表示圆周率，k表示静电常数，d表示固定电极103和可动电极104之间的电介质层109的厚度(如图6A所示)。上述公式④和⑥中的b表示质量块102的宽度(如图5A所示)，e表示固定电极103的宽度(如图5A所示)，w表示在加速度a的作用下质量块102相对于底座101发生的位移(如图5C和图5D所示)。
为了得到本公开实施例的加速度传感器100的加速度a与电容器的电容值C的关系，可以联合上述公式①～⑥求解得到加速度a与电容值C的计算关系式如下：
上述公式⑦中的参数K1为常数，其大小为
通过上述公式⑦可以看出，加速度传感器100的加速度a与电容值C之间满足线性关系(例如，负相关的线性关系)。即，电容值C越大，加速度a越小。因此，本公开实施例只需要监测出加速度传感器100的电容器的电容值C，就可以确定加速度a的大小。
图7A还给出了公式⑦中得到的加速度传感器100的加速度a与电容值C之间的函数关系图。从图7A可以直观的观察出，加速度a与电容值C之间满足线性关系。从图7A还可以看出当固定电极103和可动电极104之间的电容值为0时加速度a的大小为：a＝K1；而当固定电极103和可动电极104之间的电容值增大为C0时(此时电容值达到最大)，则加速度a减小为0。因此采用上述加速度传感器100得到的加速度a与电容值C之间还满足负相关的关系。
图7B还提供了一种叉指式加速度传感器的加速度a与电容值C之间的关系图。从图7B可以看出，叉指式加速度传感器的加速度a与电容值C之间满足非线性(即曲线)关系。
可以理解的是，与图7A的线性关系相比图7B的曲线关系不便于数据收集、处理和计算。
下面结合图8-图11B介绍本公开实施例提供的电容检测电路200。
需要说明的是，本公开实施例的电容检测电路200既可以用于监测上述图1-图7B提供的加速度传感器100包括的电容器的电容值，也可以检测其它的电容类加速度传感器得到的电容值。例如，本公开实施例提供的电容检测电路200也可以用于监测叉指式加速度传感器的电容器的电容值。
本公开实施例通过电容检测电路200来监测加速度传感器包括的电容器的电容值，并将监测结果转化成方便处理的检测信号(例如，方波信号)。通过分析检测信号来得到加速度的关联参数值，可以提高监测加速度的灵敏度。
如图8所示，该图提供的电容检测电路200可以用于监测上述加速度传感器100的电容器的电容值。图8的电容检测电路200包括：第一电容器C1和检测子电路202，其中，第一电容器C1的两端分别与加速度传感器100的固定电极103和导电电极104电气相连(例如，第一电容器C1的两个极板可以分别与第一导线205以及第二导线206相连)；以及检测子电路202被配置为将第一电容器C1的电容值转换为检测信号S，并输出检测信号S。在一些示例中，第一电容器C1的电容值等于加速度传感器100的电容器的电容值。例如，第一电容器C1的两个极板也就是加速度传感器100中的固定电极103和导电电极104。
在一些实施例中，如图9A和图9B所示，检测子电路202可以包括：第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第二电容器C2、电阻R0、生成子电路2021以及存储子电路2022。例如，第一开关SW1、第二开关SW2和第三开关SW3可以为开关晶体管。
第一电容器C1被配置为：当第一开关SW1导通时进行充电；以及当第一开关SW1截止、第二开关SW2和第三开关SW3均导通时，进行放电并对第二电容器C2进行充电。
生成子电路2021被配置为根据第二电容器C2的电压和参考电压Vref，生成检测信号S，其中，当第二电容器C2的电压低于参考电压Vref时，生成的检测信号S处于第一电平，当第二电容器C2的电压不低于参考电压Vref时，生成的检测信号S处于第二电平。在一些示例中，第一电平是比第二电平低的电压信号。例如，第一电平为方波信号的低电平，第二电平为该方波信号的高电平。
第二电容器C2被配置为在检测信号S处于第二电平(例如，高电平)时，通过电阻R0进行放电。例如，当检测信号S处于高电平时通过开关单元来控制第二电容器C2放电。
需要说明的是，第二电容器C2的电容值小于第一电容器C1的电容值。参考电压Vref可以设置的较小，以使第二电容器C2较快的完成放电过程。
存储子电路2022被配置为缓存并输出检测信号S。
本公开实施例在第一电压Vdd的作用下使第一电容器C1充电，之后再通过第二电容器C2的放电次数来测量第一电容器C1上所存储的电荷量，进而判断出第一电容器C1的电容值的大小。因此采用本公开实施例提供的电容检测电路200可以有效提高电容值检测的灵敏性以及速度。
如图9A所示，在一些实施例中，检测子电路202还包括：第一反相器B1，被配置为将时钟信号端输入的时钟信号CLK反相并输出至第一开关SW1的控制极；以及第二反相器B2，被配置将检测信号S反相并输出至第三开关SW3的控制极，使得当检测信号S处于第一电平(例如，低电平)时，第三开关SW3导通。
通过以上记载可知，本公开实施例通过时钟信号CLK来控制第一开关SW1的导通或截止，并通过检测信号S来控制第三开关SW3导通或截止。
如图9A所示，检测子电路202还包括：第四开关SW4，被配置为在检测信号S处于第二电平(例如，高电平)时导通，使得第二电容器C2通过电阻R0放电。
如图9A所示，第一反相器B1的输入端与时钟信号端连接以接收时钟信号CLK，第一反相器B1的输出端与第一开关SW1的控制极连接；第二反相器B2的输入端与生成子电路2021的输出端连接，第二反相器B2的输出端与第三开关SW3的控制极连接；第一开关SW1的第一极与第一电源端连接以接收输入的第一电压Vdd，第二极与第一电容器C1的第一端连接；第一电容器C1的第二端接地；第二开关SW2的控制极与所述时钟信号端连接以接收时钟信号CLK，第一极与第一电容器C1的第一端连接，第二极与第二电容器C2的第一端连接；第三开关SW3的第一极与第二电容器C2的第二端连接，第二极与所述第一电容器C1的第二端连接；以及第四开关SW4的控制极与所述生成子电路2021的输出端连接，第一极与电阻R0的第一端连接，第二极与所述第二电容器C2的第二端连接。
如图9A所示，生成子电路2021可以包括比较器；比较器的正相输入端分别与所述第二电容器C2的第一端和电阻R0的第二端连接，反相输入端与参考电压端连接以接收参考电压Vref，输出端与第二反相器B2的输入端连接。
如图9A所示，存储子电路2022包括锁存器，所述锁存器的输入端与所述生成子电路2021的输出端连接，该锁存器的输出端作为电容检测电路200的输出端。
图9B与图9A的检测子电路202的区别为：在图9B中通过两路时钟信号(即第一时钟信号CLK1和第二时钟信号CLK2)来分别控制第一开关SW1和第二开关SW2的导通和截止，进而可以省略图9A示出的第一反相器B1。具体地，图9B的第一开关SW1的控制极与第一时钟信号端连接以接收输入的第一时钟信号CLK1，第二开关SW2的控制极与第二时钟信号端连接以接收输入的第二时钟信号CLK2。需要说明的是，第一时钟信号CLK1和第二时钟信号CLK2为反相信号。
图9B的生成子电路2021也可以包括比较器，且比较器的连接方式可以参考图9A。图9B的存储子电路2022也可以包括锁存器，且该锁存器的具体连接可以参考图9B。针对图9B的其他电路元件不再一一赘述，相关内容可参考图9B或者参考上述针对图9A的解释说明。
图9A和图9B示出的电容检测电路200生成和输出的检测信号S包括方波信号，且方波信号的脉冲个数与加速度传感器100的加速度为线性关系。
下面结合图9A来说明电容检测电路200的工作过程，并结合工作过程来进一步阐述方波个数与加速度传感器100的加速度为线性关系的结论。在描述电容检测电路200的工作过程时，假设图9A的第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3以及第四开关SW4均为高电平导通的晶体管(例如，N型晶体管)。需要说明的是，本公开实施例并不限定四个开关单元必须为高电平导通。例如，第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3以及第四开关SW4中的一个或多个开关也可以采用低电平导通的晶体管(例如，P型晶体管)。
第一步，将图9A的时钟信号CLK置低，相应的第一开关SW1闭合，第二开关SW2断开，此时第一电压Vdd对第一电容器C1快速充电。当第一电容器C1的充电电压达到第一电压Vdd后，将时钟信号CLK置高。第二步，由于时钟信号CLK置高，则第一开关SW1断开且第二开关SW2闭合，第一电容器C1上的电荷向第二电容器C2充电。当第二电容器C2的电压达到参考电压Vref时，比较器输出高电平脉冲，该高电平脉冲传送至锁存器中进行锁存。同时，比较器输出高电平脉冲还使第三开关SW3截止，使第四开关SW4导通，之后第二电容器C2会对电阻R0放电。重复以上第二步过程，直到第一电容器C1的电荷全部释放。
上述工作过程也可以用如下表格来表示，在下述表格中用数字“1”表示第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3以及第四开关SW4的控制极与高电平相连，用数字“0”表示第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3以及第四开关SW4的控制极与低电平相连。例如，对于第二开关SW2表格中的数字“1”表示时钟信号CLK为高电平，数字“0”表示时钟信号CLK为低电平；对于第四开关SW4表格中的数字“1”表示检测信号S处于高电平，数字“0”表示检测信号S为低电平。
结合上述工作过程，根据电荷守恒定律，可以得到如下公知：
CVdd＝NCintVref
故有：
上述公式⑧中的N表示检测信号S输出的第二电平(即高电平)的次数，也表示第二电容器C2的放电次数(可以参考后续图10A或图10B)；C表示第一电容器C1的电容值，Cint表示第二电容器C2的电容值。
通过上述的公式⑧可以看出锁存器2022输出的检测信号S中的高电平(即第二电平)的次数N与第一电容器C1的电容值C满足线性正相关关系。因此，通过本公开实施例可以通过统计检测信号S中的高电平次数N来直接确定第一电容器C1的电容值的相对大小。
图10A和图10B提供了与上述图9A的工作过程相应的第二电容器C2的充放电过程图以及检测信号S的波形图。具体地，图10A和图10B为加速度传感器100在不同加速度a下的电容检测电路200所输出的检测信号S的波形图及第二电容器C2的充放电过程图。图10A为较大加速度情况下的检测信号S波形示意图以及第二电容器C2充放电过程图，而图10B为较小加速度情况下的检测S信号的波形示意图以及第二电容器C2充放电过程图。
从图10A和图10B可以看出，第二电容器C2充电时，检测信号S输出低电平信号；第二电容器C2放电时，检测信号S输出高电平信号。因此，检测信号S中出现的高电平次数与第二电容器C2的放电次数相等。例如，在图10A和图10B中当第二电容器C2的电压V2经充电升高至参考电压Vref时，第二电容器C2开始放电过程，在放电过程中相应的检测信号S输出高电平。
另外，对比图10A和图10B还可以发现，加速度传感器100的加速度越大则锁存器2022输出的高电平的次数N就越少。这是由于：加速度传感器100的加速度a越大，则加速度传感器100中的质量块102的位移越大，从而加速度传感器100的电容器的电容值C越小。如果电容器的电容值C越小，则其对第二电容器C2的充电速度越慢，相应的锁存器2011所输出的检测信号S的波形的频率越低，即相同时间段内锁存器2022输出的高电平的次数N也越少。
下面进一步阐述加速度传感器100所感知的加速度a与检测信号S输出的高电平(即第二电平)的次数N之间的计算关系式：
根据上述公式⑦和⑧，有：
上述公式⑨中的参数K1为常数，具体为：上述公式⑨中的参数K2为常数，具体为
结合上述公式⑨可以得到加速度传感器100感知的加速度a和锁存器2022输出的检测信号S中的高电平的输出次数N之间关系如图11A所示。
从图11A可以看出，加速度传感器100所感知的加速度a与检测信号S中的高电平的输出次数N满足线性关系。或者说，加速度a与第二电容器C2的放电次数N满足线性关系。
另外，从图11A还可以看出当加速度a的值为K1时，相应的高电平输出次数N为0；当加速度a的减小到0时，则高电平输出次数N增大为参数K2的值。也就是说，加速度传感器100所感知的加速度a与检测信号S中的高电平的输出次数N满足线性负相关的关系。
例如，在至少一个实施例中，可以利用加速度a与检测信号S所包含的高电平输出次数N之间的线性负相关的关系来监测汽车是否发生了碰撞。例如，参考图11B，如果已知汽车在发生碰撞时其加速度大于最大加速度阈值amax，本公开实施例可以利用上述公式⑨求解得出与该最大加速度阈值amax相对的检测信号S输出的高电平次数Nmin。之后，当判断得到检测信号S输出的高电平次数N小于或等于Nmin时，就可以直接得出汽车发生了碰撞。
本公开实施例通过分析电容检测电路200所输出的检测信号S中包含的高电平次数N，就可以直接判断电容值的大小(或者进一步判断出加速度的大小)，计算量减小并提高了处理速度。
需要说明的是，本公开实施例并不限定电容检测电路200只可以和本公开实施例的加速度传感器100来配合使用。例如，也可以将叉指式加速度传感器与本公开实施例的电容检测电路200来配合使用。具体的，图11C为将叉指式加速度传感器与本公开的电容检测电路200配合时，得到的加速度a与高电平输出次数N之间的关系图。从图11C可以看出，当采用叉指式加速度传感器时，加速度a与高电平输出次数N之间满足非线性(即曲线)关系。如果采用叉指式加速度传感器和电容检测电路200来配合，也可以实现通过统计检测信号S中的高电平次数N来判断加速度a的大小。
下面结合图12来介绍本公开至少一个实施例提供的电容检测方法300，该电容检测方法300可以用于上述至少一个实施例中的电容检测电路200。
如图12所示，电容检测方法300包括：S301，对第一电容器C1进行充电；S302，重复充放电操作直至第一电容器C1的电荷释放完毕，其中，所述充放电操作包括：通过对第一电容器C1进行放电，实现对第二电容器C2进行充电；以及对第二电容器C2进行放电；S303，根据第二电容器C2的电压(例如，图9A和9B的电压V2)和参考电压Vref，生成所述检测信号S，其中，当第二电容器C2的电压低于参考电压Vref时，生成的检测信号S处于第一电平，当第二电容器C2的电压不低于参考电压Vref时，生成的检测信号S处于第二电平；以及S304，缓存并输出检测信号S。例如，所述第一电平为方波信号的低电平，第二电平为方波信号的高电平。
对于上述S301、S302以及S303中所涉及的处理细节可以参考针对上述电容检测电路200的相关描述，在此不做赘述。
本公开至少一个实施例还提供一种加速度处理电路400，该加速度处理电路400可以与上述实施例记载的加速度传感器100相连。对于加速度传感器100的结构可以参考图1-图7B的描述，在此不做赘述。
如图13所示，加速度处理电路400包括上述的电容检测电路200、加速度计算子电路401和处理子电路402，其中，电容检测电路200被配置为输出检测信号S至加速度计算子电路401；加速度计算子401电路被配置为根据检测信号S，计算加速度的关联参数值；以及处理子电路402被配置为根据所述加速度的关联参数值，执行相应的安全保护措施。例如，加速度处理电路400还可以包括加速度传感器100。
在一些实施例中，所述关联参数值与所述加速度传感器的加速度为线性关系。例如，检测信号S包括方波信号，所述关联参数值包括所述方波信号的脉冲个数(例如，上述高电平输出次数N)。
在一些实施例中，电容检测电路200输出的检测信号S为方波信号，且处理子电路402被配置为当所述方波信号的脉冲个数小于设定阈值(例如图11B的Nmin为设定阈值)时，执行所述安全保护措施。例如，安全保护措施包括：打开安全气囊、拨打报警电话、发出提示信息或者生成警示信号(例如，生成警示信号可以包括启动汽车双闪信号等)。
另外，上述加速度处理电路400所包含的电容检测电路200具体可以参考针对图8-图9B的描述，在此不做赘述。
在一些示例中，可以采用上述加速度处理电路400来判断汽车是否发生了碰撞。
本公开实施例通过加速度处理电路400可以根据加速度的关联参数值来快速判断加速度是否超过安全阈值，从而及时启动安全措施，有效保障了人身安全。
本公开的至少一个实施例还提供一种加速度处理方法500，该加速度处理方法500可以用于加速度处理电路400。
如图14所示，加速度处理方法500可以包括：S501，监测加速度传感器100中的电容器并将监测结果转换为检测信号S；S502，根据检测信号S，计算加速度的关联参数值；以及S503，根据所述加速度的关联参数值，执行相应的安全保护措施。
在一些实施例中，检测信号S为方波信号。相应的，S502包括：在预定时间段内，统计所述方波信号的脉冲个数，且S503包括：判断所述脉冲个数是否小于设定阈值；以及当所述脉冲个数小于所述设定阈值时，执行所述安全保护措施。例如，设定阈值可以为图11B的Nmin。
例如，安全保护措施包括：打开安全气囊、拨打报警电话、发出提示信息或者生成警示信号(例如，警示信号可以包括双闪信号等)
如图15所示，本公开实施例还提供一种封装加速度传感器100和电容检测电路200的结构。
加速度传感器100可以为基于微电子机械系统MEMS的加速度传感器，也就是说本公开实施例可以通过微加工工艺在硅片1530上加工成形的惯性测量元件(即加速度传感器100)。本公开实施例还基于专用集成电路ASIC来构造电容检测电路200。由于微加工工艺和专用集成电路ASIC采用相似的工艺，因此可以将加速度传感器100和电容检测电路200集成在封装基板1510和印刷电路板1500之上。例如，可以采用微加工工艺技术制造好加速度传感器100，并利用专用集成电路ASIC制造好电容检测电路200，再将两者粘在同一个封装盒1503内(如图15)。
在一些示例中，图15还采用盖帽1520来保护加速度传感器100。
为了使加速度传感器100和电容检测电路200互连，在图15中还示出了与加速度传感器100的固定电极103电连接的第一导线205以及与导电电极104电连接的第二导线206。
需要说明的是，本公开上述实施例的加速度处理电路400也可以基于专用集成电路ASIC来构造，因此也可以将图15中示出的电容检测电路200替换为加速度处理电路400。最终实现将加速度传感器100和加速度处理电路400封装在一起的目的。
本公开实施例将加速度传感器100和电容检测电路200(或加速度处理电路400)参照图15进行封装，可以提高整个设备的稳定性。
本公开的至少一个实施例还提供一种存储介质，在其上存储有计算机指令，其中，所述计算机指令被处理器运行时执行加速度处理方法500中的一个或多个步骤。
本公开的至少一个实施例还提供一种电子设备，包括一个或多个处理器，所述处理器被配置为运行计算机指令以执行加速度处理方法500中的一个或多个步骤。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (24)

1.一种加速度传感器，包括：
底座；
固定于所述底座之上的固定电极；
相对于所述固定电极可移动的质量块；以及
固定于所述质量块之上的导电电极；
其中，所述导电电极的正投影与所述固定电极的正投影的重叠面积可变，所述导电电极和所述固定电极被配置为形成电容器。
2.如权利要求1所述的加速度传感器，还包括位于所述导电电极和所述固定电极之间的电介质层。
3.如权利要求1所述的加速度传感器，还包括底座上的悬臂梁，所述质量块连接在所述悬臂梁上。
4.如权利要求3所述的加速度传感器，其中，所述悬臂梁的一端与所述底座连接，另一端与所述质量块连接。
5.如权利要求4所述的加速度传感器，其中，所述悬臂梁包括弹簧。
6.如权利要求1所述的加速度传感器，其中，所述电容器的电容值与所述加速度传感器测得的加速度为线性关系。
7.一种电容检测电路，用于监测如权利要求1-6任一项所述加速度传感器的电容器的电容值，包括：第一电容器和检测子电路，其中，
所述第一电容器的两端分别与所述加速度传感器的固定电极和导电电极电气相连；以及
所述检测子电路被配置为将所述第一电容器的电容值转换为检测信号，并输出所述检测信号。
8.如权利要求7所述的电容检测电路，其中，所述检测子电路包括：第一开关、第二开关、第三开关、第二电容器、电阻、生成子电路以及存储子电路；其中，
所述第一电容器被配置为：
当所述第一开关导通时进行充电；以及
当所述第一开关截止、所述第二开关和所述第三开关均导通时，进行放电并对所述第二电容器进行充电；
所述生成子电路被配置为根据所述第二电容器的电压和参考电压，生成所述检测信号，其中，当所述第二电容器的电压低于所述参考电压时，生成的所述检测信号处于第一电平，当所述第二电容器的电压不低于所述参考电压时，生成的所述检测信号处于第二电平；
所述第二电容器被配置为在所述检测信号处于所述第二电平时，通过所述电阻进行放电；以及
所述存储子电路被配置为缓存并输出所述检测信号。
9.如权利要求8所述的电容检测电路，其中，所述检测子电路还包括：
第一反相器，被配置为将时钟信号端输入的时钟信号反相并输出至所述第一开关的控制极；以及
第二反相器，被配置为将所述检测信号反相并输出至所述第三开关的控制极，使得当所述检测信号处于所述第一电平时，所述第三开关导通。
10.如权利要求9所述的电容检测电路，其中，所述检测子电路还包括：
第四开关，被配置为在所述检测信号处于所述第二电平时导通，使得所述第二电容器通过所述电阻放电。
11.如权利要求10所述的电容检测电路，其中，
所述第一反相器的输入端与时钟信号端连接，所述第一反相器的输出端与所述第一开关的控制极连接；
所述第二反相器的输入端与所述生成子电路的输出端连接，所述第二反相器的输出端与所述第三开关的控制极连接；
所述第一开关的第一极与第一电源端连接以接收输入的第一电压，第二极与所述第一电容器的第一端连接；
所述第一电容器的第二端接地；
所述第二开关的控制极与所述时钟信号端连接以接收所述时钟信号，第一极与所述第一电容器的第一端连接，第二极与所述第二电容器的第一端连接；
所述第三开关的第一极与所述第二电容器的第二端连接，第二极与所述第一电容器的第二端连接；以及
所述第四开关的控制极与所述生成子电路的输出端连接，第一极与所述电阻的第一端连接，第二极与所述第二电容器的第二端连接。
12.如权利要求11所述的电容检测电路，其中，
所述生成子电路包括比较器；
所述比较器的正相输入端分别与所述第二电容器的第一端和所述电阻的第二端连接，反相输入端与参考电压端连接以接收所述参考电压，输出端与所述第二反相器的输入端连接。
13.如权利要求7-12任一项所述的电容检测电路，其中，所述存储子电路包括锁存器，所述锁存器的输入端与所述生成子电路的输出端连接。
14.如权利要求7-12任一项所述的电容检测电路，其中，所述检测信号包括方波信号，所述方波信号的脉冲个数与所述加速度传感器的加速度为线性关系。
15.一种用于权利要求7-14任一项所述的电容检测电路的电容检测方法，包括：
对所述第一电容器进行充电；
重复充放电操作直至所述第一电容器的电荷释放完毕，其中，所述充放电操作包括：通过对所述第一电容器进行放电，实现对所述第二电容器进行充电；以及对所述第二电容器进行放电；
根据所述第二电容器的电压和参考电压，生成所述检测信号，其中，当所述第二电容器的电压低于所述参考电压时，生成的所述检测信号处于第一电平，当所述第二电容器的电压不低于所述参考电压时，生成的所述检测信号处于第二电平；以及
缓存并输出所述检测信号。
16.一种加速度处理电路，包括如权利要求7-14任一项所述的电容检测电路、加速度计算子电路和处理子电路，其中，
所述电容检测电路被配置为输出所述检测信号至所述加速度计算子电路；
所述加速度计算子电路被配置为根据所述检测信号，计算加速度的关联参数值；以及
所述处理子电路被配置为根据所述加速度的关联参数值，执行相应的安全保护措施。
17.如权利要求16所述的加速度处理电路，其中，所述关联参数值与所述加速度传感器的加速度为线性关系。
18.如权利要求17所述的加速度处理电路，其中，所述检测信号包括方波信号，所述关联参数值包括所述方波信号的脉冲个数。
19.如权利要求18所述的加速度处理电路，其中，所述处理子电路被配置为当所述方波信号的脉冲个数小于设定阈值时，执行所述安全保护措施。
20.如权利要求16-19任一项所述的加速度处理电路，其中，所述安全保护措施包括：打开安全气囊、拨打报警电话、发出提示信息或者生成警示信号。
21.一种用于权利要求16-20任一项所述的加速度处理电路的加速度处理方法，包括：
监测所述加速度传感器中的电容器并将监测结果转换为检测信号；
根据所述检测信号，计算加速度的关联参数值；以及
根据所述加速度的关联参数值，执行相应的安全保护措施。
22.如权利要求21所述的加速度处理方法，其中，
所述检测信号为方波信号；
所述根据所述检测信号，计算加速度的关联参数值，包括：在预定时间段内，统计所述方波信号的脉冲个数；以及
所述根据所述加速度的关联参数值，执行相应的安全保护措施，包括：
判断所述脉冲个数是否小于设定阈值；以及
当所述脉冲个数小于所述设定阈值时，执行所述安全保护措施。
23.一种存储介质，在其上存储有计算机指令，其中，所述计算机指令被处理器运行时执行权利要求21至22中任意一项所述的方法的一个或多个步骤。
24.一种电子设备，包括一个或多个处理器，所述处理器被配置为运行计算机指令以执行权利要求21至22中任意一项所述的方法的一个或多个步骤。
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