CN114609412A - 基于mems电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，包括具有电容大小比较功能的控制芯片，控制芯片分别通过第一差分电容C1和第二差分电容C2与MEMS电容式加速度传感器连接，通过比较第一差分电容C1和第二差分电容C2的差分电容信号控制电熨斗执行器实现姿态智能识别。灵敏度高、可靠性高、成本低、体积小，通过MEMS电容式加速度传感器实现姿态检测，并利用具有电容比较功能的芯片进行信号处理和控制。

Description

基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器
技术领域
本发明属于姿态传感器技术领域，具体涉及一种基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器。
背景技术
姿态传感技术起源于飞行器相关技术，现也被广泛用于车辆，工业设备，手机，摄像，以及家用电器等领域。传统的姿态传感器体积大、能耗高，尽管用于国防军事的高精度传感器性能优良，但其重量较大，价格昂贵，不适用于民用产品。微机电系统(MEMS)传感器具有体积小、精度高、集成度高、稳定性好的特点，具有取代传统传感器成为主流的趋势。MEMS传感器按照原理可包括电容式、压阻式、谐振式、压电式以及隧道电流式等，其中电容式传感器技术相对更加成熟，工艺结构设计相对灵活。
现有技术利用上下双金属极板构成电容，在两者之间存在一个金属球，小球滚动引起电容变化，再利用电容检测电路测得极板前后的电容大小，根据比较不同的电容值判断金属球的位置，此传感器用于检测电熨斗的位置状态。但这种电容式传感器由于极板面积较大，易受外界环境温度和湿度的影响。
现有技术利用光学的原理，在壳体两侧分别设置了红外发射器和接收器，两者之间的槽上有一非透明金属球，利用金属球滚动在红外发射器和接收器之间，接收器收到不同光信号的方式判断位置状态，其结构简单，对环境要求不高，但其仅能检测单方向的位置，有较大的应用局限性。另有利用相同的光学原理，改进了内部结构，使其同时能检测垂直方向的状态，另外，其采用单片机对其信号采集和处理，并可进行后续的操作指令。但该方法还存在体积较大，能耗较高，成本较大的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，灵敏度高、可靠性高、成本低、体积小，通过MEMS电容式加速度传感器实现姿态检测，并利用具有电容比较功能的芯片进行信号处理和控制。
本发明采用以下技术方案：
基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，包括具有电容大小比较功能的控制芯片，控制芯片分别通过第一差分电容C1和第二差分电容C2与MEMS电容式加速度传感器连接，通过比较第一差分电容C1和第二差分电容C2的差分电容信号控制电熨斗执行器实现智能识别。
具体的，控制芯片上分别设置有第一电容输入端、第二电容输入端、公共输入端、数字电源、数字输出端和数字接地；第一电容输入端和第二电容输入端分别与第一差分电容C1和第二差分电容C2连接，公共输入端与MEMS电容式加速度传感器上设置的电容动梳齿连接，数字输出端输出数字控制信号，数字电源连接直流电压，数字接地连接接地端。
进一步的，当电熨斗处于水平状态或者旋转角度没有超过设计角度θ，第一差分电容C1小于第二差分电容C2，控制芯片的数字输出端输出高电平。
进一步的，当电熨斗旋转角度超过设计角度θ时，第一差分电容C1大于等于第二差分电容C2，控制芯片的数字输出端输出低电平。
具体的，MEMS电容式加速度传感器包括质量块，质量块连接有蛇形梁，质量块的两侧分别设置有两个电容动梳齿，每个电容动梳齿均对应连接一个电容定梳齿，电容动梳齿和电容定梳齿共同组成四对电容梳齿，第一差分电容C1由质量块左侧上下两对电容梳齿组成，第二差分电容C2由质量块右侧上下两对电容梳齿组成，通过改变两组差分电容的电容梳齿间距、电容梳齿数量或电容梳齿的正对面积，使静态电容C1≠C2。
进一步的，质量块左右两侧的四对电容梳齿呈轴对称方式布置。
进一步的，蛇形梁上设置有第一锚点，第一锚点与蛇形梁的固定端设置有电极。
进一步的，蛇形梁通过第二锚点与质量块和电容动梳齿连接。
进一步的，蛇形梁呈S形结构。
具体的，MEMS电容式加速度传感器的工作角度为-90°～90°。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，根据电熨斗抬起落下方向安装在电熨斗上，利用MEMS电容式加速度传感器检测位置状态，位置状态变化导致重力在MEMS电容式加速度传感器的敏感轴方向分力变化，从而引起质量块相对于电容动梳齿的微小位移，相应的梳齿电容发生改变，组成差分电容的两组电容相对大小发生变化，具有电容比较功能的芯片检测，并输出高、低电平变化的数字信号，直接用于电熨斗执行器通断电控制，也可用于其他执行器开关控制。
进一步的，控制芯片的三个端口接收传感器的模拟信号，经过内部信号处理输出数字信号，通过高、低电平信号两种形式可直接用于控制电熨斗执行器，免于经过单片机编程计算、判断再输出方式控制电熨斗执行器。
进一步的，当电熨斗处于水平状态或者旋转角度没有超过设计角度θ时，第一差分电容C1小于第二差分电容C2，控制芯片的数字输出端输出高电平，控制电熨斗执行器继续执行，使得电熨斗在水平状态或者旋转小角度时，不影响电熨斗正常工作。
进一步的，当电熨斗旋转角度超过设计角度θ时，第一差分电容C1大于第二差分电容C2，控制芯片的数字输出端输出低电平，控制电熨斗执行器中断工作，使得电熨斗在旋转角度θ后，电熨斗停止工作，防止烫伤用户或者漏水等问题。
进一步的，由蛇形梁、质量块、电容动梳齿、电容定梳齿组成面内方向加速度检测的电容式加速度传感器，不同于传统电容式加速度传感器，组成差分电容的C1和C2、其静态电容并不相等，当旋转角度从水平到后，C1<C2从变为C1≥C2，大小关系发生反转有利于控制芯片准确判断，输出信号从高电平变为低电平。通常当较小旋转角度时，变化量在fF甚至aF水平，一般需要高精度电路读取该微弱电容变化量，成本高，体积大。而判断电容大小则实现较为简单。本发明改变传统方法，对控制芯片要求降低，无需准确测量微弱变化量，只需要根据传感器内两组电容判断大小即可完成检测并输出控制信号，成本低，体积小。
进一步的，四对电容梳齿轴对称布置可以简化布线，减少寄生电容、信号间干扰，同时有利于最大化利用芯片面积，增大传感器静态电容量。
进一步的，第一锚点与电极相连，既支撑质量块，也用于电容动梳齿信号的输入输出。
进一步的，设置第二锚点用于支撑、连接质量块。
进一步的，本发明MEMS电容加速度传感器用于电熨斗姿态识别，是单轴传感器单片工作，因此其工作角度范围为-90°～90°，超过该角度范围有可能造成系统误判。
综上所述，本发明相比传统电熨斗姿态识别传感器，测量更加精准，体积更小，成本更低；相比一般MEMS电容式加速度传感器，组成差分检测的非对称两组电容，其静态电容(零角度输入旋转)不相等，与具有电容大小比较功能的控制芯片配合，免于使用价格昂贵的高精度电容读取芯片和用于编程信号处理的大体积单片机芯片，成本低廉，体积更小，更智能。通过多传感器组合可以实现更大工作角度范围。低成本更容易实现的智能姿态识别使电熨斗使用更加安全可靠。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明MEMS电容式加速度传感器芯片的结构示意图；
图2为本发明MEMS电容式加速度传感器芯片与具有电容比较功能的芯片工作原理示意图；
图3为本发明在电熨斗上工作原理示意图；
图4为智能姿态传感器的工作流程图。
其中：1.蛇形梁锚点；2.蛇形梁；3.蛇形梁质量块锚点；4.质量块；5.电容动梳齿；6.电容定梳齿。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，实时比较传感器芯片两组差分电容大小，当第一电容输入端电容大于第二电容输入端电容时，输出高电平，当第一电容输入端电容小于或等于第二电容输入端时，输出低电平。非对称电容结构设计可以使MEMS电容式加速度传感器在转动5～15°范围时，具有电容比较功能的芯片输出信号改变，实现快速姿态检测；输出信号的高低电平，可以直接作为电熨斗执行器通断电判断依据，达到智能控制目的；实现了基于MEMS电容式加速度传感器，用于电熨斗姿态识别的智能传感器。
请参阅图1和图2，本发明一种基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，包括非对称差分电容结构的MEMS电容式加速度传感器和具有电容大小比较功能的控制芯片。
MEMS电容式加速度传感器包括四个蛇形梁2，一个质量块4，电容动梳齿5，电容定梳齿6，以及八个锚点；质量块4和蛇形梁2组成弹簧-质量块系统，质量块4的两侧分别设置有两个电容动梳齿5，每个电容动梳齿5均对应连接一个电容定梳齿6，电容动梳齿5和电容定梳齿6共同组成四对电容梳齿，质量块4左侧上下两对电容梳齿组成第一差分电容C1，质量块4右侧上下两对电容梳齿组成第二差分电容C2，第一差分电容C1和第二差分电容C2组成一对差分电容；通过改变第一差分电容C1或第二差分电容C2的电容参数，使组成差分电容的两个电容量在传感器敏感检测方向水平状态下并不相等，可改变的结构参数为电容梳齿间距，或电容梳齿数量，或电容梳齿正对面积，使得第一差分电容和第二差分电容不相等，C1≠C2，MEMS电容式加速度传感器通过第一差分电容C1和第二差分电容C2与具有电容大小比较功能的控制芯片连接，用于比较处理MEMS电容式加速度传感器的两个差分电容信号，根据比较结果输出两种控制信号，控制电熨斗执行器，实现电熨斗姿态智能识别。
其中，八个锚点包括四个固定支撑连接蛇形梁2的第一锚点1和四个支撑连接质量块4的第二锚点3，第一锚点1与蛇形梁2连接，蛇形梁2通过第二锚点3与质量块4连接。
请参阅图3，MEMS电容式加速度传感器的Y轴沿使用电熨斗习惯熨烫方向，X轴方向沿使用电熨斗习惯熨烫平面内垂直方向。
蛇形梁2呈S形状，能够在X轴、Y轴两个方向变形，通过改变蛇形梁2的结构参数，调节MEMS电容式加速度传感器在XY轴两个方向上的刚度，使得X轴方向刚度远小于Y轴方向刚度，降低两个方向之间交叉灵敏度的影响，当MEMS电容式加速度传感器只绕Y轴转动时，仍然保证传感器电容和水平放置时第一差分电容C1>第二差分电容C2的大小关系保持不变。
具体的，当转动MEMS电容式加速度传感器时，重力沿着XY方向的分力发生改变，质量块4发生微小位移，重力沿X方向分力变化引起的位移对电容变化影响非常小，重力沿Y方向分力变化引起电容的变化。
当MEMS电容式加速度传感器水平放置时，第一差分电容C1大于第二差分电容C2，即C1>C2；
当MEMS电容式加速度传感器绕着X轴转动时，重力沿Y方向分力逐渐增大，第一差分电容C1逐渐减小，第二差分电容C2逐渐增大，直至C1＝C2，再随着转动时，两个电容的相对大小关系发生转变至C1>C2。
MEMS电容式加速度传感器的工作角度为-90°～90°。
通过改变电容梳齿数量参数，并根据所需快速检测角度计算。
根据所需检测角度范围5～15度计算，设C1>C2，当绕着X轴转动MEMS电容式加速度传感器芯片时，在-90°～90°区间内，随着转动角度增大，转到特定角度时，第一差分电容C1和第二差分电容C2变化到C1＝C2，继续转动，再到C1<C2，即使原本电容量小的一侧电容逐渐大于原本电容量大的一侧电容，当电容的相对大小发生改变，电容信号端输出信号到具有电容比较功能的芯片。
请参阅图2，具有电容大小比较功能的控制芯片具有六个引脚，具体包括：第一电容输入端、第二电容输入端、公共输入端引脚、数字电源引脚、数字输出端引脚和数字接地；
其中，第一电容输入端、第二电容输入端、公共输入端引脚分别连接电容式加速度传感器的第一差分电容C1和第二差分电容C2以及质量块。数字输出端引脚输出0/1数字控制信号；数字电源引脚连接5V直流电压；数字接地引脚连接接地端。
当第一差分电容C1小于第二差分电容C2时，电熨斗处于水平状态或者旋转角度没有超过设计角度θ，具有电容比较功能的芯片数字输出端输出高电平，即数字信号1，输出到电熨斗执行器，继续工作；当第一差分电容C1大于等于第二差分电容C2时，电熨斗旋转角度超过设计角度θ，具有电容比较功能的芯片数字输出端输出低电平，即数字信号0，输出到电熨斗执行器，中断工作。
具有电容大小比较功能的控制芯片目前市面上没有，现使用集成芯片是专门开发的，并没有具体型号。但是原理与电压比较器类似，只是输入信号不同，由电压信号变为电容信号，例如LM397、LMC7211-N、LM239ADT，比较两路电压大小，当“+”输入端电压高于“-”输入端时，电压比较器输出为高电平；当“+”输入端电压低于“-”输入端时，电压比较器输出为低电平。
设计的角度范围为小角度范围，为5°～15°。
请参阅图4，本发明基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器的基本工作流程，根据电熨斗抬起落下方向，安装在电熨斗上，利用传感器中弹簧-质量块系统检测位置状态，位置状态变化导致重力在MEMS电容式加速度传感器芯片敏感轴方向分力变化，会引起质量块相对于电容动梳齿的微小位移，相应的梳齿电容发生改变，组成差分电容的两组电容相对大小发生变化，具有电容比较功能的芯片检测，并输出高、低电平变化的数字信号，可以直接用于电熨斗执行器通断电控制，也可用于其他执行器开关控制。
为MEMS电容式加速度传感器感受位置变化信息，弹簧-质量块系统将位置变化信息转化为电容变化信息，传递给具有电容比较功能的芯片，比较两组差分电容大小，输出数字开关控制信号给电熨斗相应的执行器，例如加热器等。
(1)在本发明中，第一次将MEMS电容式加速度传感器应用到电熨斗等的应用领域，相比传统姿态传感器，体积小，可靠性高，检测精度高；
(2)MEMS电容式加速度传感器拥有特殊的非对称差分电容结构，结合具有电容比较功能的芯片，可以实现转动角度范围5～15度快速检测，且在检测方向的侧向转动不会引起具有电容比较功能的芯片输出信号的改变；
(3)利用差分梳齿式的MEMS结构中非对称电容相对大小转变，电容读取电路输出信号高低电平转变，可以直接对电熨斗执行器通断电控制，无须复杂计算，响应速度更快，更加安全。
综上所述，本发明一种基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，结合拥有非对称差分电容结构的MEMS电容式加速度传感器和具有电容大小比较并输出数字控制信号功能的芯片。MEMS电容式加速度传感器采用蛇形梁梁结构和非对称电容式梳齿结构，梳齿结构提高了检测的精度和灵敏度，非对称梳齿布置，可以在姿态位置发生变化时，通过差分电容检测输出接口的高低电平直接提供给电熨斗执行器通断电的依据，实现电熨斗快速姿态识别和智能控制。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，其特征在于，包括具有电容大小比较功能的控制芯片，控制芯片分别通过第一差分电容C1和第二差分电容C2与MEMS电容式加速度传感器连接，通过比较第一差分电容C1和第二差分电容C2的差分电容信号控制电熨斗执行器实现智能识别。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，其特征在于，控制芯片上分别设置有第一电容输入端、第二电容输入端、公共输入端、数字电源、数字输出端和数字接地；第一电容输入端和第二电容输入端分别与第一差分电容C1和第二差分电容C2连接，公共输入端与MEMS电容式加速度传感器上设置的电容动梳齿(5)连接，数字输出端输出数字控制信号，数字电源连接直流电压，数字接地连接接地端。
3.根据权利要求2所述的基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，其特征在于，当电熨斗处于水平状态或者旋转角度没有超过设计角度θ，第一差分电容C1小于第二差分电容C2，控制芯片的数字输出端输出高电平。
4.根据权利要求2所述的基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，其特征在于，当电熨斗旋转角度超过设计角度θ时，第一差分电容C1大于等于第二差分电容C2，控制芯片的数字输出端输出低电平。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，其特征在于，MEMS电容式加速度传感器包括质量块(4)，质量块(4)连接有蛇形梁(2)，质量块(4)的两侧分别设置有两个电容动梳齿(5)，每个电容动梳齿(5)均对应连接一个电容定梳齿(6)，电容动梳齿(5)和电容定梳齿(6)共同组成四对电容梳齿，第一差分电容C1由质量块(4)左侧上下两对电容梳齿组成，第二差分电容C2由质量块(4)右侧上下两对电容梳齿组成，通过改变两组差分电容的电容梳齿间距、电容梳齿数量或电容梳齿的正对面积，使静态电容C1≠C2。
6.根据权利要求5所述的基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，其特征在于，质量块(4)左右两侧的四对电容梳齿呈轴对称方式布置。
7.根据权利要求5所述的基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，其特征在于，蛇形梁(2)上设置有第一锚点(1)，第一锚点(1)与蛇形梁(2)的固定端设置有电极。
8.根据权利要求5所述的基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，其特征在于，蛇形梁(2)通过第二锚点(3)与质量块(4)和电容动梳齿(5)连接。
9.根据权利要求5所述的基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，其特征在于，蛇形梁(2)呈S形结构。
10.根据权利要求1所述的基于MEMS电容式加速度传感器的电熨斗姿态识别智能传感器，其特征在于，MEMS电容式加速度传感器的工作角度为-90°～90°。
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