CN114414848B - 基于对称驱动的mems电容型传感器的馈通电容提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于对称驱动的MEMS电容型传感器的馈通电容提取方法，所述方法包括：获取无偏压条件下的传感单元的初始电容值；对第一定极板的第一传感电极施压预设第一偏压，并获取传感单元的第一电容值；对第二定极板的第二传感电极施压预设第二偏压，并获取传感单元的第二电容值；基于初始电容值、第一电容值、第二电容值，计算得到通馈电容值。本发明能够精确地提取馈通电容值大小。

Description

基于对称驱动的MEMS电容型传感器的馈通电容提取方法

技术领域

本发明属于电容提取技术领域，具体涉及一种基于对称驱动的MEMS电容型传感器的馈通电容提取方法。

背景技术

微机电子机械系统(Micro Electro-Mechanical System，简称MEMS)中的电容型传感器技术是微机电系统研究和制造领域的一个重要分支。微电容型传感器以加速度计最具代表性，它具有体积小、成本低、重量轻以及功耗低等优点，在运动感知、安防警报、姿态控制等领域都得到了广泛的应用。

MEMS开环加速度计能够通过质量块位移变化与电容变化之间的关系来测量加速度，由于其不需要使用高增益设计以及环路补偿设计等，具有低成本和低功耗优势，因而在物联网(Internet of Things，简称IoT)应用中成为了主流选择。通常通过平衡桥读出电路架构和电压控制比例架构，以进行后续加速度的测量，但是馈通电容是与传感器电容并联的寄生电容，共享激励端口和读出端口，因此馈通电容极难提取。

现有技术中的馈通电容提取方案需要对传感单元进行线性驱动，然后测量读出结果的非线性值，通过非线性值来计算得到馈通电容值大小，然而，线性驱动传感单元需要线性地控制传感单元上的电荷量，而电荷量的控制精度又会受到馈通电容干扰。因此，现有技术中的方案受限于线性驱动的控制精度，难以在片上精确提取馈通电容。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于对称驱动的MEMS电容型传感器的馈通电容提取方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于对称驱动的MEMS电容型传感器的馈通电容提取方法，所述方法包括：步骤1：获取无偏压条件下的传感单元的初始电容值；步骤2：对第一定极板的第一传感电极施压预设第一偏压，并获取传感单元的第一电容值；步骤3：对第二定极板的第二传感电极施压预设第二偏压，并获取传感单元的第二电容值；步骤4：基于初始电容值、第一电容值、第二电容值，计算得到通馈电容值。

在本发明的一个实施例中，所述初始电容值等于馈通电容值C_FT和传感单元静态电容值C_S0之和。

在本发明的一个实施例中，步骤2包括：步骤2-1：对第一定极板的第一传感电极施压预设第一偏压V_S1，以在第一定极板与动极板之间产生静电力；步骤2-2：响应于所述静电力，所述动极板发生第一偏移Δd；步骤2-3：将所述第一偏移对应的第一传感电容值C_S-Δd与馈通电容值C_FT之和，确定为第一电容值C_S1。

本发明的有益效果：

本发明利用对称驱动技术可以精确提取馈通电容值大小，相比传统的线性驱动方法，本发明不需要精准控制电荷量，能够在简化提取步骤的同时，提高提取的馈通电容的精度。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是一种MEMS电容型传感器中传感单元的典型结构示意图；

图2是一种MEMS电容型传感器中传感单元的馈通电容示意图；

图3是本发明实施例提供的一种基于对称驱动的MEMS电容型传感器的馈通电容提取方法；

图4是本发明实施例提供的一种对称驱动的单侧传感单元的动极板运动示意图。

附图说明：

101-检测质量块；102-弹簧；103-定极板；104-动极板；105-第一传感电极；106-公共电极；107-第二传感电极。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

MEMS电容型加速度计是一种用于测量加速的电容式传感器，其电容式极板的位移与加速度成正比，电容式加速度计包括机械传感单元和读出电路。

参见图1是一种MEMS电容型传感器中传感单元的典型结构示意图，所述传感单元包括：检测质量块101、弹簧102、定极板103、动极板104、第一传感电极105、公共电极106和第二传感电极107；其中，检测质量块101通过弹簧102悬挂，在电气上与公共电极106相连；动极板104与质量块101耦合，并随检测质量块101相对于基板移动，其电气上也与公共电极106相连；定极板103相对衬底静止，在电气上分别与传感单元的第一传感电极105、第二传感电极107相连。

传感电容的表达式为：

其中，C₀表示传感电容静态电容值，Δd表示加速度信号a激励下传感电容动极板104的位移值，它与加速度信号a成线性关系，d₀表示静态时动极板104和定极板103之间的间距，x表示调制深度，k表示线性系数。由公式(1)可见，加速度a到传感电容C_S的传递函数是反比例函数，具有非线性，且非线性随着加速度信号a的增加而显著增加，这会极大的限制了加速度计的动态范围。

为了避免传递函数的反比例非线性，最有效的方法之一是采用比例传递函数：

其中，V₀表示读出电路的读出电压。

但是，仅避免传递函数的反比例非线性是不够的，因为，在实际的电容传感器结构中，由于传感器元件中的寄生效应和键合线之间的电容效应，导致了馈通电容的产生。

该馈通电容与传感电容并联，共享激励端口和读出端口，具体而言，请参见图2，图2是一种MEMS电容型传感器中传感单元的馈通电容示意图。其中包括第一感应电极105与公共电极106构成的传感电容C_S1和第二感应电极107与公共电极106构成的传感电容C_S2。该传感单元还包括公共电极106和两个感应电极105、107之间寄生的馈通电容C_FT。

考虑馈通电容后的实际电容传感器的比例传递函数，表示为：

可见，考虑馈通电容后，传递函数出现了x²项，即馈通电容的存在破坏了比例传递函数的非线性。

由于馈通电容来源复杂导致其很难预估和匹配，且其量级等同于传感单元的静态电容，因此要发挥出电压控制比例读出的性能优势，必须要获取馈通电容值，并基于提取到的值消除馈通电容C_FT。

综上，本发明提供一种基于对称驱动的MEMS电容型传感器的馈通电容提取方法，假定寄生电容C_FT全部都不参与静电力的作用，能够在馈通电容与传感电容共存情况下，分离传感电容信息，精确提取馈通电容值大小，以供本领域技术人员计算精确的矫正参数，以消除寄生馈通电容的影响。

实施例

请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种基于对称驱动的MEMS电容型传感器的馈通电容提取方法示意图，所述传感器中包括传感单元，所述传感单元中包括定极板和动极板，所述方法包括：

步骤1：获取无偏压条件下的传感单元的初始电容值。

所述无偏压条件指的是电容传感器第一传感电极V_S1、公共电极V_R、第二传感电极V_S2均不施加偏压，即，即预置三个电极电压分别为：V_S1＝0V；V_R＝0V；V_S2＝0V。

可选的，定极板103包括第一定极板和第二定极板；所述第一定极板位于所述动极板104的上方，所述第二定极板位于所述动极板104的下方；第一定极板和第二定极板分别与动极板104构成差分传感电容C_S1和C_S2。

当输入外界加速度信号a时(施加偏压)，检测质量块101会发生位移，带动动极板104发生竖直方向的位移，从而使得传感电容的容值发生变化，即，完成加速信号与电容信号的转换。

可选的，所述初始电容值等于馈通电容值C_FT和传感单元静态电容值C_S0之和。

参见图4，图4是本发明实施例提供的一种对称驱动的单侧传感单元的动极板运动示意图。为了清晰起见，图4的电容传感单元结构示意图中只给出了电容传感单元的单侧极板运动示意图。其中，定极板与衬底相对静止，固定不动，两个定极板103和动极板104分别形成传感电容C_S1和C_S2，对两个传感电容电极分别施加偏压，极板之间会形成静电力，对第一感应电极105施加正压，动极板104向上偏移，对第二感应电极107施加正压，动极板向下偏移。

步骤2：对第一定极板的第一传感电极施压预设第一偏压，并获取传感单元的第一电容值。

当对传感电极施压偏压后，动极板与定极板之间会产生静电力，静电力能够带动检测质量块发生竖直方向的移动，因为，动极板固定在检测质量块上，因此，动极板也会发生竖直方向的移动。随着偏移量的增大，受到的弹簧弹力也随之增大，最终所受的静电力与弹簧弹力达到平衡。

可选的，步骤2包括：

步骤2-1：对第一定极板的第一传感电极施压预设第一偏压V_S1，以在第一定极板与动极板之间产生静电力。

第一定极板位于动极板的上方，对第一定极板的第一传感电极施压预设第一偏压V_S1＝cV后，第一定极板与动极板之间产生静电力，动极板会在静电力作用下，竖直向上移动。即，公共电极V_R与第二传感电极V_S2不施加偏压，设置的三个电极电压分别为：V_S1＝cV；V_R＝0V；V_S2＝0V。

其中，施加的预设偏压与静电力之间的关系，表示为：

d为动极板与定极板之间的间距，V_S为施加的偏压值。

进一步地，动极板受力表达式为：

k为弹簧的弹性系数。

由上述公式可知，施加预设第一偏压后，动极板受力表达式为：

步骤2-2：响应于所述静电力，所述动极板发生第一偏移Δd。

动极板104在静电力的作用下发生偏移，使得弹簧发生伸缩，最终动极板104所受的静电力与弹簧弹力达到平衡，此时得到动极板的偏移值。

步骤2-3：将所述第一偏移对应的第一传感电容值C_S-Δd与馈通电容值C_FT之和，确定为第一电容值C_S1。

施加预设第一偏压后，获取的电容值等于馈通电容C_FT与极板偏移后的传感单元电容C_S-Δd之和。

第一电容值表示为：C_S-Δd+C_FT。

步骤3：对第二定极板的第二传感电极施压预设第二偏压，并获取传感单元的第二电容值。

可选的，步骤3包括：

步骤3-1：对第二定极板的第二传感电极施压预设第二偏压V_S2，以在第二定极板与动极板之间产生静电力。

其中，施压预设第二偏压后，动极板受力表达式为：

第二定极板位于动极板的下方，对第二定极板的第二传感电极施压预设第二偏压V_S2＝bV后，第二定极板与动极板之间产生静电力，动极板会在静电力作用下，竖直向下移动。即，设置的三个电极电压分别为：V_S1＝cV；V_R＝0V；V_S2＝bV。

步骤3-2：响应于所述静电力，所述动极板发生第二偏移-Δd。

需要说明的是，第一偏移Δd指的是竖直向上移动Δd，第二偏移-Δd指的是竖直向下移动Δd。先后进行的第一偏移Δd和第二偏移-Δd，称为对称驱动。

步骤3-3：将所述第二偏移对应的第二传感电容值C_S+Δd与馈通电容值C_FT之和，确定为第二电容值C_S2。

第二电容值表示为：C_S+Δd+C_FT。

对第二定极板的第二传感电极施加偏压的步骤中，施加的预设第二偏压值为V_S2，第二传感电极偏压V_S2施加过程中，第一传感电极的偏压V_S1保持不变，动极板受到偏压V_S2产生的静电力开始反向偏移，即，向竖直方向的下方移动，最终达到平衡时，所受的偏压V_S2的产生的静电力等于偏压V_S1产生的的静电力与弹簧弹力之和。

第二传感电极施加的偏压V_S2，最终使得动极板反向对称偏移一个固定值-Δd，此时静电力和弹簧弹力重新保持平衡。施加预设第一偏压和预设第二偏压后，动极板受到的静电力与弹簧弹力大小相等、方向相反。

步骤4：基于初始电容值、第一电容值、第二电容值，计算得到通馈电容值。

可选的，步骤4包括：

步骤4-1：基于预设第一偏压和预设第二偏压，计算第一传感电容值和第二传感电容值之间的比值，表示为：

步骤4-2：基于平板电容公式对4-1中的公式进行变换，表示为：

步骤4-3：计算得到通馈电容值，表示为：

本发明根据第一传感电容值C_S-Δd与第二传感电容值C_S+Δd的比值，以及第一电容值C_S-Δd+C_FT和第二电容值C_S+Δd+C_FT，即可求得馈通电容值的大小。

本发明能够采用对称驱动技术，消除未知的弹簧受力分量，提取寄生的馈通电容值，从而供本领域技术人员计算精确的矫正参数，以消除寄生馈通电容的影响，进一步提高开环的加速度计读出电路的线性度和动态范围。对于开环的加速度计读出电路架构如平衡桥读出架构和电压控制比例读出架构，该技术能显著提高传递函数线性度和动态范围。

综上，本发明利用对称驱动技术可以精确提取馈通电容值大小，相比传统的线性驱动方法，本发明不需要精准控制电荷量，能够在简化提取步骤的同时，提高提取的馈通电容的精度。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于对称驱动的MEMS电容型传感器的馈通电容提取方法，其特征在于，所述传感器中包括传感单元，所述传感单元中包括定极板和动极板，所述定极板包括第一定极板和第二定极板，所述第一定极板位于所述动极板的上方，所述第二定极板位于所述动极板的下方，所述方法包括：

步骤1：获取无偏压条件下的传感单元的初始电容值；

步骤2：对第一定极板的第一传感电极施压预设第一偏压，并获取传感单元的第一电容值；

步骤3：对第二定极板的第二传感电极施压预设第二偏压，并获取传感单元的第二电容值；

步骤4：基于初始电容值、第一电容值、第二电容值，计算得到馈 通 电容值；

步骤2包括：

步骤2-1：对第一定极板的第一传感电极施压预设第一偏压V_S1，以在第一定极板与动极板之间产生静电力；

步骤2-2：响应于所述静电力，所述动极板发生第一偏移Δd；

步骤2-3：将所述第一偏移对应的第一传感电容值C_S-Δd与馈通电容值C_FT之和，确定为第一电容值C_S1；

步骤3包括：

步骤3-1：对第二定极板的第二传感电极施压预设第二偏压V_S2，以在第二定极板与动极板之间产生静电力；

步骤3-2：响应于所述静电力，所述动极板发生第二偏移-Δd；

步骤3-3：将所述第二偏移对应的第二传感电容值C_S+Δd与馈通电容值C_FT之和，确定为第二电容值C_S2；

所述传感单元中包括弹簧和检测质量块，所述动极板固定在所述检测质量块上；

施压预设第一偏压后，动极板受力表达式为：

施压预设第二偏压后，动极板受力表达式为：

步骤4包括：

步骤4-1：基于预设第一偏压和预设第二偏压，计算第一传感电容值和第二传感电容值之间的比值，表示为：

步骤4-2：基于平板电容公式对4-1中的公式进行变换，表示为：

步骤4-3：计算得到馈 通 电容值，表示为：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始电容值等于馈通电容值C_FT和传感单元静态电容值C_S0之和。

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