TW201405100A - 測量物理參數的方法與用於實施該方法之電容性感測器的電子介面電路 - Google Patents

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Abstract

物理參數係經由連接至二電容器感測器之電子電路予以測量。該電路包括連接至共同電容器電極之放大器；邏輯單元，用於數位處理放大器資料並供應數位測量信號；數位-類比轉換器，用於根據該數位測量信號供應測量電壓；切換單元，用於交替供應該測量電壓至第一固定電容器電極及第二固定電容器電極，及交替供應來自電壓供應源之用於負偏壓的調節電壓或用於正偏壓的低電壓。第一階段包含以來自第一二進制字之該測量電壓及參考電壓偏壓該第一固定電極，並以低電壓偏壓該第二固定電極，且第二階段包含以來自第二二進制字之測量電壓及該參考電壓偏壓該第二固定電極，該第二二進制字為該第一二進制字之反轉。

Description

測量物理參數的方法與用於實施該方法之電容性感測器的電子介面電路
本發明關於藉由連接至電容性感測器之電子介面電路測量諸如加速度、角速度、力或壓力之物理參數的方法。
本發明亦關於實施測量方法之電容性感測器的電子介面電路。電容性感測器係由至少二差分連接電容器形成。電容器之共同電極可在例如力之動作下於二固定電極間移動，以便改變每一電容器之電容值。
在簡單習知電容性感測器設計中，移動之共同電極形成部分電樞，彈性地保持於二固定電極之間。在此狀況下，電容性感測器可沿移動電極之運動之一方向實施測量。靜止時，共同移動電極通常與二固定電極等距，以便使二電容器具有相等電容值。共同移動電極在力之動作下可沿固定電極之一或另一者之方向移動若干距離。因 而每一電容器之電容值成反比。連接至電容性感測器之電子介面電路因而致能供應類比輸出信號。此類比輸出信號根據二電容器之電容變異而採取電壓形式。
電容性感測器之電子介面電路係於Messrs H.Leuthold及F.Rudolph之文章中揭露，其係出現於「感測器及致動器」A21-A23(1990)期刊中，278至281頁。
電容性感測器可為加速計，用於實施結合電子介面電路之加速度測量。其可為如上述電容性感測器之單軸加速計，或多軸或三軸加速計用於實施X、Y及Z三方向測量。此型的三軸MEMS加速計可包括單一質量，即三對差分電容器之共同慣性質量，或電容器對之三質量。在第一狀況下，提供單一共同電極及六固定電極，而在第二狀況下，針對每一對電容器提供一共同電極及二固定電極。
電子電路及電容性感測器，諸如MEMS加速計，係於半導體基板中製造。所以，在電子電路輸入之雜散電容被加到MEMS電容性感測器之電容器的電容。該些雜散電容並不取決於移動電極之動作，其因此產生非線性且亦降低電子電路之靈敏度或增益。MEMS電容性感測器亦然，其中感測器作業期間基板之電位亦產生非線性。因而，在感測器中及電子電路關閉模式下平均靜電力並非零。因為基板電位對於靜電力之影響，此導致被測量之跨越共同移動電極施加之真正力的變異，此為缺點。
為使用電子電路實施力、加速度或壓力測 量，二電容器或電容器對之固定電極藉由相對極性之電壓相對於關閉參考電壓而被偏壓或週期性激發。藉由以不同電壓位準偏壓或極化二固定電極，可測量跨越移動電極之電荷差異並轉換為至少一電子電路輸出電壓。當輸出電壓或電壓穩定在其最後值時，跨越移動電極之總電荷變成零。所以，該些輸出電壓被供應取樣至處理電路。
由於力、加速度或壓力之測量係取決於上述非線性及鏈接至不匹配電子組件之任何電壓偏移，歐洲專利No.1 835 263 B1針對此問題提出解決方案。電子電路中建議對稱雙重結構，尤其是在電荷轉移放大器後具二積分器。每一積分器依據正電極偏壓或負電極偏壓而於輸出供應對應的類比輸出電壓。因為此結構，因技術或供應電壓變異所生成之電壓偏移可使用二類比積分器輸出電壓而加以最小化或排除。再者，有鑑於電子電路包括總體對稱操作之相同雙重結構，基板電位便不再重要。
然而，歐洲專利No 1 835 263 B1之電子電路之一缺點為其係以類比形式供應輸出信號，諸如輸出電壓。此需要使用二積分器。意即其不可能充分降低整合組件之尺寸及整合電子電路之電力消耗。再者，電子電路經配置僅以沿單一測量軸之一電容性感測器實施測量。
因而，較佳的是製造於輸出供應數位測量信號的電子電路。世界知識產權組織(WO)專利申請案No.2004/113930 A1所揭露之用於測量加速度的連接至單軸或多軸電容性感測器的此型電子電路，可於此方面引證。在 電荷轉移放大器之後提供每一測量軸專用之邏輯電路，其處理數位測量信號，並連接至共同移動電極。每一邏輯電路之輸出依據每一軸之移動電極相對於固定電極之運動而連續供應代表測量電壓位準之二進制測量信號。每一軸之二進制測量信號連續供應至數位-類比轉換器。在選擇軸之每一測量週期之一階段中，此轉換器於以供應電壓源之高電壓及低電壓偏壓固定電極之階段交替供應測量電壓至電極。於每一邏輯之輸出獲得的二進制信號每一系列測量階段以一單元增加或減少，直至跨越移動電極之總電荷變成零為止。儘管電子組件尺寸及電力消耗減少，上述非線性及電壓偏移未移除，此為缺點。再者，使每一測量軸之數位輸出信號穩定之時間相對長，此為另一缺點。
類似於先前文獻，WO專利申請案No.2008/10773 A1揭露加速度測量感測器之電子介面電路。在電容器之固定電極被偏壓之後，類比測量信號係儲存於測量週期之一階段中的電荷轉移放大器之後。類比信號轉換為電子電路之邏輯中所儲存之數位信號。所儲存的數位信號後續藉由數位-類比轉換器轉換為電壓形式之類比返回信號，施加於每一測量週期之連續階段中的所有感測器電極。在測量週期中，藉由第一偏壓及第一偏壓之反轉的第二偏壓而連續偏壓固定電極。此使得洩漏電流可從電子電路移除。然而，需要大量步驟以於輸出獲得物理參數測量信號，此為缺點。
歐洲專利申請案No.2 343 507 A1揭露單軸 或三軸測量感測器之電子介面電路。測量信號係於邏輯單元中之電荷轉移放大器之後被數位處理。在正偏壓及負偏壓之後，數位測量信號儲存於邏輯單元之對應暫存器中。數位-類比轉換器亦用於在感測器電極連續將測量週期中每一軸之數位信號轉換為電壓。為獲得每一軸之加速度的最後測量值，在結束超取樣步驟之前，二分法首先用於若干測量週期之邏輯單元中。利用此二分法，在每一轉換期間，測量總是於測量範圍之一半開始，尤其是在VREG/2。若於邏輯單元中第一測量期間之大改變步驟發生錯誤，則所有測量週期結束時之最後值將必然錯誤，此為缺點。
因而本發明之目的為藉由提供連接至電容性感測器之電子介面電路測量物理參數的方法來克服本技藝的上述缺點，其係依據新電極激發方案，增加低電壓時的信雜比並快速供應精確輸出信號。
本發明因此關於一種藉由連接至電容性感測器之電子介面電路測量物理參數的方法，該電容性感測器包括至少第一差分連接電容器及第二差分連接電容器，當測量該物理參數時，該二電容器之共同電極可相對於該二電容器之每一固定電極移動以修改每一電容器之電容值，該電子電路包括連接至該共同電極之電荷轉移放大器；連接至該放大器輸出之邏輯單元，用以數位處理由該放大器供應之資料並供應至少一數位測量信號；數位-類比轉換 器，用以供應測量電壓，其係根據有關該數位測量信號之至少第一二進制字或第二二進制字之轉換而被定義；切換單元，用以以測量電壓及調節電壓或來自供應電壓源之低電壓交替供應該二電容器之每一固定電極，該方法於每一連續測量週期中包括以下步驟，包含：a)在第一階段中，經由該切換單元以該數位-類比轉換器供應之第一測量電壓來偏壓該第一電容器之該固定電極，及以該電極之定義之正偏壓的該低電壓或該電極之定義之負偏壓的該調節電壓來偏壓該第二電容器之該固定電極，該第一測量電壓係根據有關來自前一週期之該數位測量信號的該第一二進制字或由該邏輯單元供應之初始二進制參考字，並依據正偏壓之該數位-類比轉換器中所產生之參考電壓，或依據負偏壓之該數位-類比轉換器中所產生之反向參考電壓而予以定義，該反向參考電壓對應於該調節電壓及該參考電壓間之差異，其係設定為高於該調節電壓之一半的值，b)在第二階段中，經由該切換單元以該數位-類比轉換器供應之第二測量電壓偏壓該第二電容器之該固定電極，及以該低電壓或該調節電壓偏壓該第一電容器之該固定電極，該第二測量電壓係根據有關該數位測量信號之該第二二進制字或由該邏輯單元供應之該初始參考二進制信號，且若於該第一階段中選擇正偏壓則依據該參考電壓，或若於該第一階段中選擇負偏壓則依據該反向參考電壓而予以定義，該第二二進制字係於該邏輯單元中定義為相對 於該參考二進制字之該第一二進制字之反轉，以及c)以該邏輯單元中之判定步驟在從該第一階段改變為該第二階段時，根據跨越該第一電容器之該固定電極的電壓變異及跨越該第二電容器之該固定電極的電壓變異，依據跨越該移動電極之電荷注入量的增加或減少而增加或減少該數位測量信號。
此測量方法之特定步驟係定義於獨立請求項2至7。
此測量方法之一優點在於下列事實，即於電子電路輸出可快速供應物理參數測量之至少一數位輸出信號。由於從測量正偏壓及/或負偏壓之第一階段至第二階段施加於電容器之每一固定電極之激發電壓的顯著變異，信雜比獲改進且未增加使用電流並處於低供應電壓。
數位-類比轉換器提供之一或另一固定電極的初始偏壓電壓不再設定為測量範圍之一半，而是接近正偏壓之調節供應電壓及接近負偏壓之低電壓。意即，在每一轉換階段，可能具有跨越每一固定電極之顯著電壓變異，且因而從一階段至下一階段，彙整之電荷量與跨越每一固定電極之電壓改變成比例。此提供提昇的靈敏度，以及約為本技藝測量方法之信雜比的1.65倍的信雜比。
本發明因此亦關於上述電容性感測器的電子介面電路，其包括用於實施測量方法的一對差分連接電容器，該電子電路包括連接至該電容器之共同電極的電荷轉移放大器；連接至該放大器輸出之邏輯單元，用以數位處 理藉由該放大器供應之資料並供應至少一數位測量信號；數位-類比轉換器，用以供應測量電壓，其係根據有關該數位測量信號之至少第一二進制字或第二二進制字之轉換而被定義；切換單元，可將該測量電壓及調節電壓或來自供應電壓源之低電壓交替供應該二電容器之每一固定電極。
特徵在於該數位-類比轉換器包括電阻式分壓器，用於產生用於該電容器之該固定電極之正偏壓之參考電壓，或產生用於該固定電極之負偏壓之反向參考電壓，該電阻式分壓器之電阻的每一節點連接至藉由該第一二進制字或該第二二進制字控制之多工器，以允許該數位-類比轉換器根據該第一二進制字及該參考電壓或該反向參考電壓供應第一測量電壓，及根據該第二二進制字及該參考電壓或該反向參考電壓供應第二測量電壓。
電子電路之特定實施例係定義於獨立請求項9至11。
電容性感測器之電子介面電路之一優點在於下列事實，即，其可於輸出快速提供穩定的數位測量信號，作為緊接電荷轉移放大器後之數位處理的結果。該些數位測量信號係於邏輯單元中處理。二數位信號可依據電容器之固定電極的正偏壓及負偏壓予以提供。藉由組合數位信號，此致能任何電壓偏移從電子電路組件移除。
物理感測器之電子介面電路的另一優點在於下列事實，即，數位-類比轉換器包括電阻式分壓器，其 每一電阻式節點連接至多工器，其係連續藉由邏輯單元之對應暫存器中所儲存之每一二進制字操作。電阻式分壓器允許數位-類比轉換器產生於測量範圍中間及調節供應電壓之間建立之參考電壓Vref。藉由將連接至供應調節電壓及低電壓之供應電壓源之端子的電阻式分壓器端子之反向連接，可產生反向參考電壓。數位正偏壓或負偏壓信號指示多工器加總或移除正或負測量電壓至或自參考電壓或至或自反向參考電壓，使得轉換器於每一測量階段供應類比電壓至電容器之固定電極之一或另一者。有利地，此數位-類比轉換器不再在測量範圍中間附近工作，而是在正偏壓之參考電壓附近及負偏壓之反向參考電壓附近。
1‧‧‧電子介面電路
2‧‧‧電容性感測器
3‧‧‧切換單元
4‧‧‧比較器型電荷轉移放大器
5‧‧‧邏輯單元
6‧‧‧第一供應多工器
7‧‧‧數位-類比轉換器
8‧‧‧第二供應多工器
9‧‧‧開關
10‧‧‧第一多工器
11‧‧‧第二多工器
12‧‧‧第三多工器
17‧‧‧多工器
27‧‧‧電阻式分壓器
C1‧‧‧第一電容器
C2‧‧‧第二電容器
CM‧‧‧共同電極
Cs1、Cs2‧‧‧電容值
DACbus‧‧‧二進制字
eq1、eq2‧‧‧直線
Fel1、Fel2‧‧‧靜電力
OFFSETbus‧‧‧二進制調整字
OUTDX‧‧‧數位輸出信號
P1‧‧‧第一階段
P2‧‧‧第二階段
ph‧‧‧階段控制信號
pol‧‧‧極性控制信號
pol0‧‧‧正偏壓
pol1‧‧‧負偏壓
VC1、VC2、VDAC_Nn、VDAC_Np、VDAC_Pn、VDAC_Pp、Vn、Vp‧‧‧電壓
VDAC‧‧‧類比電壓
Vref‧‧‧參考電壓
-Vref‧‧‧反向參考電壓
VREG‧‧‧調節高電壓
VSS‧‧‧低電壓
測量物理參數之方法及用於實施該方法之電容性感測器之電子介面電路的目的、優點及特徵於參照圖式之下列說明中將更清晰地顯而易見，其中：圖1顯示依據本發明之用於實施測量物理參數之方法之連接至電容性感測器之電子介面電路的簡圖，以及圖2顯示依據本發明之測量方法的施加於連接至電子介面電路之電容性感測器之電極的電壓信號之時間圖。
在下列說明中，主要實施參考藉由連接至在電子電路輸出供應至少一數位測量信號之電容性感測器的 電子介面電路來測量物理參數的新方法。
圖1顯示依據本發明之實施物理參數測量方法之電容性感測器2之電子介面電路1之各式組件的簡圖。在此實施例中，具單一質量之MEMS電容性感測器2經配置以連接至電子電路1。因而此電容性感測器係由一對電容器C1及C2組成。每一對的二電容器係差分連接。該對電容器之共同電極CM尤其在二固定電極間之力的動作下移動以實施物理參數測量。當然，其亦可使用例如具三對電容器之共同電極的三軸電容性感測器，沿三測量軸X、Y及Z實施物理參數測量。
電子電路1可依據二固定電極間之共同移動電極的運動供應少一數位測量信號，其關於諸如加速度、角速度、壓力或力之物理參數。在加速度測量之狀況下，電子電路可經組配以於最小及最大加速度值之間供應至少一數位測量信號。可挑選例如組配電子電路以於-2g至+2g加速度範圍內供應數位測量信號。1g加速度可允許約3至20mV之電壓變異。
移動共同電極CM可形成彈性地保持在電容器C1及C2之二固定電極間中央位置其餘部分中之感測器的部分電樞。電子電路1可藉由連續供應電壓源(未顯示)供電。供應電壓源於第一端子供應調節高電壓VREG及於第二端子供應低電壓VSS。低電壓可設定為0V，而調節高電壓可設定為例如1.65V，或略低。如以下所說明，每一電容器之固定電極可於具有二階段或四階段之測量週 期的一階段中偏壓，以高電壓VREG或低電壓VSS或之前測量之類比電壓VDAC或電子電路之作業模式中的初始值。
依據物理參數測量方法，依據以下參照圖2詳細說明之電容性感測器的新電極激發方案，電子介面電路1可以最小調節電壓VREG供電。每一測量週期可由定義之正電極偏壓的第一系列測量階段及定義之負電極偏壓的第二系列測量階段組成。第一測量階段系列包括激發感測器電容器C1及C2之固定電極的第一階段P1及第二階段P2，而第二測量階段系列包括連續反向激發固定電極的第一階段P1及第二階段P2。利用新激發方案，從第一階段改變為第二階段施加於每一固定電極之電壓變異針對每一正及負偏壓而增加，因為電荷注入與電壓降或變異成比例。意即相較於本技藝測量方法之任何狀態，其可具有更佳信雜比，且不需增加調節供應電壓。
電子介面電路1包括比較器型電荷轉移放大器4，其直接連接至電容器對C1及C2之移動電極CM，或經由串聯配置於移動電極CM及放大器4之輸入間之額外電容器。電子電路進一步包括切換單元3，其依據測量週期階段接收要被施加於感測器電極之電壓VREG、VSS及VDAC。調節電壓VREG及低電壓VSS依據測量階段而交替施加於固定電極。來自回授數位-類比轉換器7之類比電壓VDAC依據以下詳細說明之測量階段及正或負偏壓而交替施加於固定電極。
切換單元3可包括第一多工器10 MUX1，用於選擇施加於電容性感測器2之各式電極的電壓。第一多工器10依據每一測量週期之正或負偏壓而於輸入處接收調節電壓VREG或電壓VSS，及由數位-類比轉換器7所供應之類比電壓VDAC。第一多工器10於輸出處供應施加於電容器C1之固定電極的電壓VC1。切換單元3亦可包括第二多工器11 MUX2。第二多工器11依據每一測量週期之正或負偏壓而於輸入處接收調節電壓VREG或電壓VSS及類比電壓VDAC。第二多工器11於輸出處供應施加於電容器C2之固定電極的電壓VC2。
第一及第二多工器10及11係由階段控制信號ph控制。當階段控制信號ph為例如狀態「1」時，第一多工器10於輸出供應類比電壓VDAC，而第二多工器11於輸出以正偏壓或負偏壓之調節電壓VREG供應低電壓VSS。當階段控制信號ph為例如狀態「0」時，第一多工器10於輸出以正偏壓或負偏壓之調節電壓VREG供應類比電壓VSS，而第二多工器11於輸出供應類比信號VDAC。可提供第三多工器12 MUX3以於輸入接收調節電壓VREG及低電壓VSS。第三多工器12係由極性控制信號pol控制，使得當極性控制信號pol為狀態「0」時於輸出供應低電壓VSS，及當極性控制信號pol為狀態「1」時於輸出供應調節電壓VREG。
比較器放大器4為1978年6月IEEE期刊，J.Solid-States Circuits,vol.SC-13，294-297頁的「A 1 mV MOS Comparator」文中揭露類型之極簡單設計。比較器放大器4通常於連接至共同電極CM之輸入包括電容器，其後為放大器級，用於在輸出供應全有或全無數位信號。電荷轉移放大器具有極高增益。當跨越移動電極CM之電壓經由於測量週期中累積正電荷而增加時，放大器輸出信號為狀態「1」，接近調節電壓VREG。然而，當跨越移動電極CM之電壓經由於測量週期中累積負電荷而減少時，放大器輸出信號改變為狀態「0」，接近低電壓VSS。
電子電路1亦包括邏輯單元5，包括儲存裝置，尤其是儲存各式組態參數。電子電路之邏輯單元5進一步包括處理器(未顯示)，其藉由習知時鐘信號計時，以便控制物理參數測量方法之所有必要步驟之性能，特別是針對加速度。邏輯單元5進一步包括至少二暫存器(未顯示)，用於儲存二進制測量字形式之數位信號。第一暫存器接收從電容器對之固定電極的定義之正偏壓(pol為「0」)後跨越移動電極CM之電荷注入增加或減少產生之第一數位測量信號。第二暫存器接收從對應電容器對之固定電極C1及C2的定義之負偏壓(pol為「1」)後跨越移動電極CM之電荷注入增加或減少產生之第二數位測量信號。負偏壓簡單地為正偏壓之反向偏壓。
藉由組合或加總二暫存器於組合元件(未顯示)中，邏輯單元5供應數位輸出信號OUTDX。藉由組合二組合之暫存器的數位測量信號，任何電壓偏移已有利地從數 位輸出信號移除。邏輯單元5亦供應二進制調整字OFFSETbus(透過10位元或11位元)至數位-類比轉換器以補償在輸入之有關MEMS感測器的任何電壓偏移。
在每一測量週期期間，依據判定編程步驟，對應暫存器中所儲存之第一數位信號及第二數位信號增加或減少一特定數位值。增加或減少持續直至一特定數量的連續測量週期每一數位信號已穩定為止。在每一測量週期中，儲存於暫存器中之數位測量信號或二進制字DACbus考量測量階段而連續供應至數位-類比轉換器7。由電子電路1所提供之每一數位測量信號針對二電容器C1及C2與(Cs1-Cs2)/(Cs1+Cs2)成比例，其中Cs1為電容器C1之電容值及Cs2為電容器C2之電容值。一旦每一數位測量信號於最後物理參數測量穩定，流經每一對二電容器之任何電荷被消除。
如以下所說明，數位-類比轉換器7依據每一測量週期中的階段及偏壓分別將數位信號轉換為供應至固定電極之類比電壓VDAC。在類比電壓VDAC方面且就正偏壓而言，數位-類比轉換器7中所產生之參考電壓Vref亦加到從來自邏輯單元5之第一數位測量信號經正或負轉換的電壓Vp。在負偏壓之類比電壓VDAC中，反向參考電壓VREG-Vref亦加到從來自邏輯單元5之第二數位測量信號經正或負轉換的電壓Vn。
參考電壓Vref係藉由數位-類比轉換器7之電阻式分壓器27產生。此電阻式分壓器可具有1000以上良 好匹配之相同電阻值的電阻，例如1536個別電阻。此參考電壓Vref經選擇而介於VREG/2及VREG電壓值之間以增加信雜比。此參考電壓較佳地經選擇而盡可能接近調節電壓VREG及至少為電壓VREG/2之值的1.5倍。此參考電壓可經選擇而具例如約1.36V或1.4V之值，以亦考量連接至MEMS電容性感測器之任何偏移。
應注意的是，在任何測量之開始，所供應之每一二進制字DACbus例如集中於測量範圍中間。通過數位-類比轉換器，此表示正偏壓測量範圍係置於參考電壓Vref附近，而負偏壓測量範圍係置於反向參考電壓VREG-Vref附近。在每一測量之開始，連續供應至數位-類比轉換器之暫存器的二進制字可於測量範圍中間重新初始化，即在0至1023(10位元)數位範圍之512。測量範圍之中間對應於邏輯單元中之二進制參考字。然而，藉由以具值512之二進制字供應至數位-類比轉換器7之多工器17，該多工器依據偏壓而在輸出供應參考電壓Vref或反向參考電壓VREG-Vref作為電壓VDAC。
提供第一供應多工器6 MUXa及第二供應多工器8 MUXb用以產生數位-類比轉換器7之參考電壓Vref及反向參考電壓VREG-Vref。第一及第二多工器6及8經配置以於輸入接收調節電壓VREG及低電壓VSS。該些供應多工器6及8係由極性控制信號pol控制。
當極性控制信號pol為正偏壓之狀態「0」時，第一供應多工器6於輸出供應調節電壓VREG至電阻 式分壓器27之第一端子，而第二供應多工器8供應低電壓VSS至電阻式分壓器之第二端子以供電該電阻式分壓器27。因而，於轉換器中設定參考電壓Vref。當極性控制信號pol為負偏壓之狀態「1」時，第一供應多工器6於輸出供應低電壓VSS，同時第二供應多工器8供應調節電壓VREG以反向供電電阻式分壓器27。因而，於轉換器中設定反向參考電壓VREG-Vref。
現在將參照圖2更詳細說明使用連接至電容性感測器2之電子電路1的物理參數測量方法。建議之新激發方案具有於正偏壓及負偏壓之每一階段改變時，增加施加於電容器之每一固定電極之電壓降或變異的目標。從第一階段P1改變為正固定電極偏壓及正偏壓之反轉之負固定電極偏壓之第二階段P2的大電壓降提供與大電壓降成比例之跨越移動電極CM的電荷注入。
例如以固定電極C1及C2之定義之正偏壓實施測量週期的前二階段，而以固定電極之負偏壓實施下二階段。每一階段期間可約為2μs。然而，每一測量週期之負偏壓亦可於正偏壓之前實施，或每一測量週期僅實施一正或負偏壓。
跨越移動電極CM之電壓亦可設定為介於VREG及VSS間之值，較佳地為VREG/2。跨越移動電極CM之固定電壓可施加於正偏壓及負偏壓之每一第一階段P1。為達成此，切換單元3進一步包含開關9，其於輸入接收集中於VREG/2之電壓，並由階段控制信號ph控制以 便於每一第一階段P1中施加此集中電壓至電極CM。集中於VREG/2之電壓亦可於VREG及VSS間所連接之電阻式分壓器之二相同電阻的連接節點獲得。此可為移除施加於移動電極CM之第一階靜電力的狀況。
在正偏壓之第一階段P1中，施加於固定電極C1之電壓VC1相等於VDAC_Pp，而施加於固定電極C2之電壓VC2相等於VSS。在正偏壓之第二階段P2中，施加於固定電極C1之電壓VC1相等於VSS，而施加於固定電極C2之電壓VC2相等於VDAC_Pn。在負偏壓之第一階段P1中，施加於固定電極C1之電壓VC1相等於VDAC_Np，而施加於固定電極C2之電壓VC2相等於VREG。最後，在負偏壓之第二階段P2中，施加於固定電極C1之電壓VC1相等於VREG，而施加於固定電極C2之電壓VC2相等於VDAC_Nn。
數位-類比轉換器7於每一階段中連續供應之電壓VDAC值因而為VDAC_Pp、VDAC_Pn、VDAC_Np、VDAC_Nn等。例如若有測量的加速度，則電壓VDAC_Pp對應於加到參考電壓Vref或自參考電壓Vref減去之電壓值Vp。電壓值Vp為邏輯單元之一暫存器中所儲存之第一二進制字或數位測量信號之代表，較佳地相對於無加速度之初始其餘值。初始值代表初始參考二進制字，可於邏輯單元中定義為集中於測量範圍中間之值，即就0至1023(10位元)數位範圍而言等於512的數位值。
第一二進制字DACbus被供應至圖1之數位- 類比轉換器7的多工器17，其連接至電阻式分壓器27之電阻的每一節點。依據正偏壓之第一二進制字的值電壓Vp被加到其餘參考電壓Vref或自其餘參考電壓Vref減去，以決定供應至固定電極C1之電壓VDAC_Pp。電壓VDAC_Pn對應於電壓Vref，其中依據正偏壓之第二二進制字的值，電壓Vp係自參考電壓Vref減去或加到參考電壓Vref，相反地加到電壓VDAC_Pp或自電壓VDAC_Pp減去。邏輯單元中之正偏壓暫存器可儲存第一階段P1之第一二進制字，以便指示轉換器例如於輸出供應電壓Vref+Vp(VDAC_Pp)，其將供應給第一電容器C1之固定電極。邏輯單元決定第二二進制字，其與第一二進制字互補。第二二進制字被供應至轉換器多工器，使得其在第二階段P2中於輸出供應電壓Vref-Vp(VDAC_Pn)至第二電容器C2之固定電極。第二二進制字為相對於參考二進制字之該暫存器之第一二進制字的反轉，其較佳地為邏輯單元中所定義之集中值。對每一正偏壓而言，從階段P1至階段P2之跨越二固定電極的電壓變異偏移為電壓Vp值之二倍。
對負偏壓而言，例如若有測量的加速度，則電壓VDAC_Np對應於加到反向參考電壓VREG-Vref或從反向參考電壓VREG-Vref減去之電壓值Vn。電壓值Vn為邏輯單元之一暫存器中所儲存之第三二進制字或數位測量信號的代表，較佳地相對於無加速度之初始其餘值。第三二進制字被供應至轉換器，使得其於第一階段P1中供應電 壓VDAC_Np，其具有例如(VREG-Vref)-Vn之值。邏輯單元亦決定第四二進制字，其與供應至轉換器之第三二進制字互補。第四二進制字為相對於參考二進制字或邏輯單元中所定義之集中值之第三二進制字的反轉。在第二階段P2中，第四二進制字允許轉換器供應電壓VDAC_Nn，其具有例如(VREG-Vref)+Vn之值。對每一負偏壓而言，從階段P1至階段P2之跨越二固定電極之電壓變異偏移為電壓Vn值之二倍。
若無測量的加速度，則於測量週期之每一階段中所供應之所有電壓VDAC均為正偏壓之參考電壓Vref及負偏壓之反向參考電壓VREG-Vref。值Vref係由正偏壓之直線eq1代表，及值VREG-Vref係由負偏壓之直線eq2代表。參考電壓Vref係決定介於VREG/2及VREG之間，較佳地接近VREG。可選擇電阻式分壓器27及多工器17之配置，使得以例如等於1.36V之值供應參考電壓Vref，而調節電壓可為1.65V。在此等環境下，反向參考電壓VREG-Vref可具有例如等於0.29V的值。
參考電壓Vref係選擇接近VREG，而留一用以測量諸如加速度之物理參數的正偏壓變異邊限。界定電壓值Vref等於1.36V以考量MEMS感測器之任何可能偏移補償義，其可為約12.3g，且MEMS感測器之增益可為標稱增益之1.5倍。
因而相對於依據本技藝測量方法實施之測量，測量靈敏度大幅增加。從階段P1至階段P2，跨越電 容器之每一固定電極的電壓變異遠高於VREG/2。在此狀況下，對電容器之每一固定電極而言，於正偏壓階段P1及P2中，測量始自參考電壓Vref，而先前測量始自等於0.825V之VREG/2的值。因而本發明之測量靈敏度為本技藝測量方法之靈敏度的1.65倍(1.36V/0.825V)。
在正偏壓pol0及固定電極之負偏壓pol1的第一階段P1及第二階段P2中，靜電力Fel1及Fel2施加於共同電極CM。靜電力Fel1施加於第一電容器C1之固定電極及移動電極CM之間，而靜電力Fel2施加於第二電容器C2之固定電極及移動電極CM之間。此八靜電力的平均可針對每一測量週期加以界定。靜電力平均值可由下列方程式表示：Felmean=(Fel1P1_pol0+Fel2P1_pol0+Fel1P2_pol0+Fel2P2_pol0+Fel1P1_pol1+Fel2P1_pol1+Fel1P2_pol1+Fel2P2_pol1)/8
靜電力Fel1例如可表示為伴隨自由度之電容能量的差分係數：
其中ε 0為真空介電常數，S為電極表面，u1及um為跨越電極C1及CM之靜電電位，及x電極C1及CM間之可移動距離。
施加於CM之靜電力因而可表示為：Felmean=ε0．S/8．((VREG 2/2)．((1/(D0/2-Dx))2-(1/(D0/2+Dx))2)+2．(((VREG/2-Vref-VDAC)/(D0/2-Dx))2-((VREG/2-Vref+VDAC)/(D0/2+Dx))2)
其中Dx為x之變異，其相對於D0為小，其為電極CM及C2間釋放之距離。假設VDAC之穩態值對應於從階段P1轉換為階段P2期間跨越電極CM之相等於0的電荷注入。因而VDAC之穩態值可近似如下：VDAC=(Cs1-Cs2)/(Cs1+Cs2))．Vref=(Dx/x)．Vref
因而，依據以上假設，當距離Dx相較於距離D0為小時，跨越移動電極CM所施加之靜電力的第一階平均消除。意即測量之加速度小。然而，應注意的是剩餘之第二階靜電力可造成輕微的非線性，此在可接受之範圍內，無礙藉由本發明之測量方法所獲得之改進的靈敏度。
對於在二正偏壓階段P1及P2中之測量而言，且在移動電極已沿電容器C2之固定電極方向移動的狀況下，此提供大於第一電容器C1之電容值Cs1的電容值Cs2。在此等狀況下，在第一階段P1中，電壓Vp加總至參考電壓Vref，反之，在第二階段P2中，電壓Vp從參考電壓Vref減去。測量電壓Vp從初始0V值增加。此對應於 例如供應至數位-類比轉換器之設定為1000000000(10位元)或10000000000(11位元)之二進制字DACbus，直至某數量連續測量週期後之最後物理參數測量值為止。其可為例如8、12、16或32測量週期以獲得最後測量值，但較佳地利用新的固定電極激發方案，一些週期便足夠。
電壓VDAC_Pp因而具有Vref+Vp之值，其為施加於電容器C1之固定電極的電壓VC1，而電壓VDAC_Pn具有Vref-Vp之值，其為施加於電容器C2之固定電極的電壓VC2。在從第一階段P1改變為正偏壓之第二階段P2，跨越第一電容器C1之固定電極的電壓變異△VC1等於Vref+Vp，反之，跨越第二電容器C2之固定電極的電壓變異△VC2相等於Vref-Vp。依據方程式△QCM=Cs1‧△VC1-Cs2‧△VC2，一旦數位正偏壓測量信號穩定於最後值，跨越移動電極CM之電荷注入量差異△QCM成為0。
對於正偏壓之反轉的負偏壓而言，於階段P1及階段P2中，測量電壓Vn加到反向參考電壓VREG-Vref或從反向參考電壓VREG-Vref減去。若第二電容器C2之電容Cs2大於第一電容器C1之電容Cs1，則於第一階段P1中從反向參考電壓VREG-Vref減去電壓Vn，而於第二階段P2中將電壓Vn加總至反向參考電壓VREG-Vref。如先前所指出，在某數量連續測量週期之後，測量電壓Vn從0V的初始值減少至最後物理參數測量值。因而電壓VDAC_Np具有(VREG-Vref)-Vn的值，其為施加於電容器C1之固定電極 的電壓VC1，而電壓VDAC_Np具有(VREG-Vref)+Vn的值，其為施加於電容器C2之固定電極的電壓VC2。在從第一階段P1改變為第二階段P2，電壓Vref+Vn對應於跨越第一電容器C1之固定電極的電壓變異△VC1。在從第一階段P1改變為第二階段P2，電壓Vref-Vn對應於跨越第二電容器C2之固定電極的電壓變異△VC2。對負偏壓而言，一旦數位負偏壓測量信號穩定於最後值，跨越移動電極Cm之電荷注入量差異△QCM亦變成等於0。在線性電子電路中，電壓Vn可匹配電壓Vp。
自然地，若移動電極CM沿第一電容器C1之固定電極的方向移動，則電容值Cs1成為大於第二電容器C2之電容值Cs2。在該些狀況下，電壓VDAC_Pp因而具有Vref-Vp之值，其為第一階段P1中施加於電容器C1之固定電極的電壓VC1，而電壓VDAC_Pn具有Vref+Vp之值，其為第二正偏壓階段P2中施加於電容器C2之固定電極的電壓VC2。電壓VDAC_Np因而具有(VREG-Vref)+Vn的值，其為第一階段P1中施加於電容器C1之固定電極的電壓VC1，而電壓VDAC_Nn具有(VREG-Vref)-Vn的值，其為第二負偏壓階段P2中施加於電容器C2之固定電極的電壓VC2。
從已提供之說明，熟悉本技藝之人士在不偏離由申請項界定之本發明的範圍下，可設計多種測量物理參數之方法及實施該方法之電容性感測器的電子介面電路。可設想改變有關於另一者之每一階段的期間，或物理 參數測量作業中每一週期的期間，以及每一測量轉換之連續測量週期數量。每一測量週期中正及負偏壓的順序可改變。每一測量週期亦可僅使用正或負偏壓。

Claims (11)

  1. 一種藉由連接至電容性感測器之電子介面電路測量物理參數的方法，該電容性感測器包括至少第一差分連接電容器及第二差分連接電容器，當測量該物理參數時，該二電容器之共同電極可相對於該二電容器之每一固定電極移動以修改每一電容器之電容值，該電子電路包括連接至該共同電極之電荷轉移放大器；連接至該放大器輸出之邏輯單元，進行藉由該放大器供應之資料的數位處理並供應至少一數位測量信號；數位-類比轉換器，用於供應測量電壓，其係根據有關該數位測量信號之至少第一二進制字或第二二進制字之轉換定義；切換單元，用於將測量電壓及調節電壓或來自供應電壓源之低電壓交替供應該二電容器之每一固定電極，該方法於每一連續測量週期中包括以下步驟，包含：a)在第一階段中，經由該切換單元以該數位-類比轉換器供應之第一測量電壓偏壓該第一電容器之該固定電極，及以該電極之定義之正偏壓的該低電壓或該電極之定義之負偏壓的該調節電壓偏壓該第二電容器之該固定電極，該第一測量電壓係根據有關來自先前週期之該數位測量信號的該第一二進制字或藉由該邏輯單元供應之初始二進制參考字，並依據正偏壓之該數位-類比轉換器中所產生之參考電壓，或依據負偏壓之該數位-類比轉換器中所產生之反向參考電壓而予以定義，該反向參考電壓對應於該調節電壓及該參考電壓間之差異，其係設定為高於該調節電壓 之一半的值，b)在第二階段中，經由該切換單元以該數位-類比轉換器供應之第二測量電壓偏壓該第二電容器之該固定電極，及以該低電壓或該調節電壓偏壓該第一電容器之該固定電極，該第二測量電壓係根據有關該數位測量信號之該第二二進制字或藉由該邏輯單元供應之該初始參考二進制信號，且若於該第一階段中選擇正偏壓則依據該參考電壓，或若於該第一階段中選擇負偏壓則依據該反向參考電壓而予以定義，該第二二進制字係於該邏輯單元中定義為相對於該參考二進制字之該第一二進制字之反轉，以及c)在從該第一階段改變為該第二階段時，根據跨越該第一電容器之該固定電極的電壓變異及跨越該第二電容器之該固定電極的電壓變異，藉由該邏輯單元中之判定步驟，依據跨越該移動電極之電荷注入量的增加或減少而增加或減少該數位測量信號。
  2. 如申請專利範圍第1項之測量方法，其中，每一測量週期包括第一系列測量階段，依據步驟a)及b)而具第一階段及第二階段，且該電容器之該固定電極之正或負偏壓用於該邏輯單元中之第一數位測量信號的供應；及第二系列測量階段，依據步驟a)及b)而具第一階段(P1)及第二階段，且該第一系列測量階段之該固定電極的反向偏壓用於該邏輯單元中之第二數位測量信號的供應。
  3. 如申請專利範圍第2項之測量方法，其中，該邏輯單元包括用於儲存該第一數位測量信號之第一暫存器，及 用於儲存該第二數位測量信號之第二暫存器，其中，根據來自先前測量之該第一暫存器及該第二暫存器中所儲存之每一數位信號的最後數位值，而開始每一物理參數測量。
  4. 如申請專利範圍第1項之測量方法，其中，在該測量週期的每一第一階段中，該第一電容器及該第二電容器之該移動電極係以該低電壓及該調節電壓間所包含之電壓偏壓。
  5. 如申請專利範圍第4項之測量方法，其中，該第一電容器及該第二電容器之該移動電極在每一第一階段中係以等於該調節電壓之一半的電壓偏壓。
  6. 如申請專利範圍第1項之測量方法，其中，於該數位-類比轉換器中產生該參考電壓或該反向參考電壓，藉由以第一方向連接至該調節電壓及該低電壓間之該供應電壓源的電阻式分壓器，而以該參考電壓定義正偏壓；及藉由以相對於該第一方向之第二方向連接至該供應電壓源的電阻式分壓器，而以該反向參考電壓定義負偏壓，該電阻式分壓器之電阻的每一節點連接至藉由該第一二進制字或該第二二進制字控制之多工器，以便經由該切換單元，於該第一階段供應該第一測量電壓至該第一電容器之該固定電極，及於該第二階段供應該第二測量電壓至該第二電容器之該固定電極。
  7. 如申請專利範圍第6項之測量方法，其中，該參考電壓係於該數位-類比轉換器中以高於或等於該調節電壓之一半的1.5倍之值建立，且其中，該參考二進制字對應 於該測量週期之該開始時供應至該數位-類比轉換器之該多工器的測量範圍中間之該邏輯單元中的數位值，以便供應等於用於該固定電極之正偏壓之該參考電壓的測量電壓，及等於用於該固定電極之負偏壓之反向參考電壓的測量電壓。
  8. 一種電容性感測器的電子介面電路，其包括一對差分連接電容器用於實施如申請專利範圍第1項之測量方法，該電子電路包括連接至該電容器之共同電極的電荷轉移放大器；連接至該放大器輸出之邏輯單元，進行藉由該放大器供應之資料的數位處理並供應至少一數位測量信號；數位-類比轉換器，用於供應測量電壓，其係根據有關該數位測量信號之至少第一二進制字或第二二進制字之轉換定義；切換單元，可將該測量電壓及調節電壓或來自供應電壓源之低電壓交替供應該二電容器之每一固定電極，其中，該數位-類比轉換器包括電阻式分壓器，用於產生參考電壓用於該電容器之該固定電極之正偏壓，或產生反向參考電壓用於該固定電極之負偏壓，該電阻式分壓器之電阻的每一節點連接至藉由該第一二進制字或該第二二進制字控制之多工器，以允許該數位-類比轉換器根據該第一二進制字及該參考電壓或該反向參考電壓供應第一測量電壓，及根據該第二二進制字及該參考電壓或該反向參考電壓供應第二測量電壓。
  9. 如申請專利範圍第8項之電子電路，其中，該數位- 類比轉換器之該電阻式分壓器包括1000個以上具有相同電阻值之匹配電阻，例如1536個別電阻。
  10. 如申請專利範圍第8項之電子電路，其中，該邏輯單元包括用於儲存第一數位測量信號之第一暫存器，用於該電容器之該固定電極的正偏壓；及用於儲存第二數位測量信號之第二暫存器，用於該電容器之該固定電極的負偏壓；且其中，該邏輯單元經配置以組合或加總該第一暫存器中所儲存之該第一數位測量信號及該第二暫存器中所儲存之該第二數位測量信號，以供應數位輸出信號。
  11. 如申請專利範圍第8項之電子電路，其中，其包括第一供應多工器及第二供應多工器，該第一供應多工器及該第二供應多工器經配置以於輸入接收該調節電壓及該低電壓，其中，該第一供應多工器之輸出連接至該電阻式分壓器之第一端子，其中，該第二供應多工器之輸出連接至該電阻式分壓器之第二端子，且其中，該第一多工器及該第二多工器係藉由極性控制信號控制以便供應該調節電壓至該電阻式分壓器之該第一端子及供應該低電壓至該電阻式分壓器之該第二端子，以產生該參考電壓用於正偏壓，並供應該低電壓至該電阻式分壓器之該第一端子及供應該調節電壓至該電阻式分壓器之該第二端子，以產生該反向參考電壓用於負偏壓。
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