专利名称：带有自检测功能的电容式闭环加速度计接口电路的制作方法
技术领域：
本发明属于MEMS惯性器件领域，特别涉及一种带有自检测功能的电容式闭环 加速度计接口电路。
(二)
背景技术：
惯性传感器技术快速发展，其背后巨大的市场需求是发展的主要推动力量。微 机械加速度计是继压力传感器之后，拥有世界上第二大市场销售量的传感器。从民用领 域的汽车和消费类电子到军用领域的惯性导航与制导系统，加速度传感器都在其中扮演 着重要的角色。加速度计在汽车中的应用包括了安全气囊、倾翻侦测、电子动态控制系 统、导航、安全系统和灵活性背负系统。在消费类电子领域，消费类电子制造商在产品 中使用加速度计来为产品增加独特的功能以期达到与其他产品的差异性，从而增强市场 竞争力。加速度传感器主要用于增加图象稳定性、震动侦测、菜单导航、文本滚动等功 能。在军用领域，加速度计是惯性导航系统中最重要的惯性器件之一，其精度水平直接 影响和决定导航和制导的精度。汽车安全气囊的开启、火箭轨迹方向的控制、火箭的惯 性导航系统的正常工作全部依赖于加速度传感器的精准工作，加速度计失效将导致灾难 性的后果。因此，随着加速度传感器在各个领域应用的拓展与加深，提高性能的同时， 应该保证加速度计工作的可靠性。然而现有的设计和工艺水平并不能保证传感器完全的 可靠性。例如，微机械加速度计在生产工艺过程中难免存在一些误差，不可避免的会生 产出一些功能不完善的器件产品，同时微机械加速度计在受到冲击载荷以及温度变化也 会引起失效。加速度计接口电路的自检测功能可以对传感器提供周期性的检测。第一时 间检测出器件的不稳定因素和一些难以识别的缺陷，验证加速度传感器是否处在正常的 工作状态，从而减少因加速度传感器失效而造成的损失，是加速度计的一项重要功能。
专利文件CN 101271125A报道了一种带有自检测功能的电容式微加速度计，该 加速度计接口电路采用开环电路结构，加速度的检测灵敏度相对较低。开环结构的加速 度计只能够满足民用低端消费类产品需求，无法满足惯性制导武器的需求。因此，带有 自检测功能的集成闭环结构的加速度接口电路成为惯性器件的必然趋势。
(三)
发明内容
本发明的目的是为克服现有开环加速度接口电路的不足，提出一种带有自检测 功能的闭环结构的电容式加速度计接口电路，具有检测灵敏度高、线性度好、噪声低， 工作范围宽等特点。 本发明的目的是这样实现的本发明采用的加速度接口电路使用±9V电源供 电。整体电路由数字部分和模拟部分组成。数字部分用于产生模拟电路中开关的控制时 序，由振荡器、分频器和组合逻辑组成；模拟部分包括前级运放，同向放大器，采样保 持部分和单位增益PID反馈控制电路组成。 本发明还有这样一些技术特征时序电路产生电路中各开关的控制时序，test信
3号为通过芯片管脚外加的控制信号。自检测控制时序通过开关S5控制在每个工作循环中 自检测电压加载在feedback point点的时长。Test可以是直流信号或方波信号。若test为 直流高电平，则电路一直处于自检测状态，这时，若有外部加速度信号，则输出为自检 测输出与检测加速度信号的输出的总和；若test为直流低电平，则电路一直处于检测外 部加速度信号状态；若test为方波信号，则在test信号高电平阶段，传感器进行自检测， test信号低电平阶段，传感器检测外部加速度信号，方波信号用于控制电路周期性进行自 检测。 加速度计的每个工作循环根据控制时序分为4个阶段，分别是自检测与电荷 泻放阶段、检测阶段、电荷转移阶段和反馈阶段。下面分别加速度计工作时序的不同阶 段，模拟信号处理电路的工作原理。阶段l，自检测与电荷泻放阶段。开关S5闭合，加载自检测电压至feedback point点，同时进行电荷泻放，建立正确的初始状态，防止该点电荷在结果中引入误差。 开关S5只有在这一阶段中闭合，其它阶段均保持关断状态。 阶段2，检测阶段。开关S6在这一阶段中闭合，将前级放大器与敏感电容连 接，直至反馈周期的开始。在反馈周期，开关S6关断，以避免反馈电压对前级放大器的 影响。开关S7在这一阶段结束前一段时间断开，在采样电容上建立噪声的同时，使电路 中形成电荷放大器，用于下一阶段的电荷转移，开关S7的关断状态将保持至反馈阶段开 始。 阶段3，电荷转移阶段。在这一阶段中，开关S1与开关S2的状态对换，使之
前一直分别保持在+9V和-9V的ndrive和pdrive点连接至地电位。敏感电容上下极板出
现脉冲电压，使敏感电容电荷转移至电荷放大器电容，在输出结点建立电压。同时，在
这一阶段中，开关S10结束之前一直保持闭合的状态，进入相关双采样第二阶段采样信
号阶段。在采样保持电容得到连续的输出电压，并为反馈阶段提供反馈电压。 阶段4，反馈阶段。反馈阶段中，开关S1， S2恢复在阶段l， 2中的状态，将
ndrive和pdrive点分别连接至+9V和-9V。
开关S8闭合，将反馈电压加载至feedback
point点。这样，敏感电容极板间形成静电力作用，构成闭环工作方式。 自检测加速度计在每个工作周期都重复以上四个阶段，经过数个周期后，传感
器输出达到稳定，完成对加速度信号的检测。
(四)
图1 :具有自检测功能闭环加速度计的系统框图
图2:扭摆式加速度计工作简化图
(五)
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的原理和具体实施方式
作进一步的说明。 如图1和图2所示的电容式微加速度计的系统框图和扭摆式加速度计的工作原理
简化图，本发明主要结合扭摆式加速度计对检测电路进行说明。 假定加速度计电极与板块之间的间距为d。，则如图2所示，由偏转角引起敏感电 容的变化AC为<formula>formula see original document page 5</formula>
(i) 式中，当e很小时，tan9a9， A为敏感电极宽度；ld为加速度计板块长度；
ld-x。为敏感电极的长度。则
<formula>formula see original document page 5</formula>
(3)
根据扭摆式加速度计的结构参数，惯性扭矩带来的稳态下的扭转角为
麵
(4》
<formula>formula see original document page 5</formula> 上式说明，通过测量敏感电容的变化量AC就可以测得对应加速度引起的敏感 质量角位移。由公式(3)与公式(4)可得，差动电容值的大小与加速度信号的大小成线形 关系，扭摆式电容表头将加速度信号按比例转换为差动电容值。 由图1可知，电荷转移阶段中，开关Sl和S2的转换迅速使ndrive和pdrive电位 分别由+9￥和-9V改变为地电位。转移到电荷放大器电容C2上的电荷总量为
A Q = (^+Q2 = +9V . (CP-CN) (5)
在电荷转移阶段，电荷放大器的输出的电压大小为
<formula>formula see original document page 5</formula> 电荷放大器的输出与同相放大器的输入直接相连，前级放大器的微弱电压经过 该级放大电路后进一步放大。假设同相放大器的放大倍数为A'，加速度传感器敏感质量
角位移为e，则最终的输出电压为
<formula>formula see original document page 5</formula>
(7) 由此可得，输出电压与e成正比，进而与加速度信号成正比。同相放大器的 输出与相关双采样电路直接相连，加速度计的输出电压在相关双采样时，保持在采样保
持电容上，得到连续的输出电压，并为PID反馈阶段提供反馈电压。反馈阶段中，开关 Sl， S3断开，S2、 S4闭合，开关S6关断，敏感端与前级运放断开，开关S8闭合，，反 馈电压加载到敏感端，完成加速度信号的闭环检测。
权利要求
一种带有自检测功能的电容式闭环加速度计接口电路，其特征在于，采用敏感结构和信号处理电路两块芯片混合封装；加速度接口电路主要由时序产生电路、电荷放大电路、同相放大器、单位增益缓冲器和自检测电路组成；所述的闭环加速度接口电路电荷放大器通过开关于敏感结构的检测电容相连接，电荷放大器输出与同相放大器的输入相连接，同相放大器的输出与相关双采样电路的输入相连接，PID闭环反馈控制相连接与相关双采样的输出相连接，同时通过开关与检测电容结构相连接，时序电路产生不同时序，控制电路中的所有开关，完成加速度的闭环结构检测。
2. 根据权利要求1所述的一种带有自检测功能的电容式闭环加速度计接口电路，其特 征在于采用单端检测实现敏感结构电容变化量的检测，前级放大器采用开关电容的电荷 放大器实现对微弱电容变化量的检测。
3. 根据权利要求1所示的一种带有自检测功能的电容式闭环加速度计接口电路，其特 征在于采用PID控制实现电路的闭环监测，闭环电路采用单位增益缓冲器实现检测电路 的闭环驱动。
4. 根据权利要求1所述的一种带有自检测功能的电容式闭环加速度计接口电路，其特 征在于所述的自检测电路是通过时序电路产生的方波信号，在时序电路的控制下，TEST 端为高电平时，完成电路的自检测功能。
5. 根据权利要求1所述的一种带有自检测功能的电容式闭环加速度计接口电路，其特 征在于所述的时序电路可以由片上振荡器产生时钟信号，也可以由片外的高精度时钟源 提供时钟信号。
全文摘要
本发明涉及一种带有自检测功能的电容式闭环加速度计接口电路。该电容式微加速度计采用敏感结构和接口电路两片式混合封装。整体电路由数字部分和模拟部分组成，该电路能够实现加速度计的自检测功能。数字部分用于产生模拟电路中开关的控制时序，由振荡器、分频器和组合逻辑组成；模拟部分包括低噪声放大器前端，同向放大器，采样保持部分和PID控制电路。由时序电路产生相应的控制信号完成电路中所有开关的控制。本发明具有电路结构简单，噪声较低，线性度好，抗冲击性和环境适应性强的性能。
文档编号G01P15/125GK101692095SQ20091007297
公开日2010年4月7日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者付强, 刘晓为, 尹亮, 张海峰, 陈伟平 申请人:哈尔滨工业大学