三电极微机械加速度计数字闭环控制电路及其接口电路以及三电极微机械加速度计系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于MEMS惯性器件领域，具体涉及一种三电极微机械加速度计数字闭环 控制电路及其接口电路以及三电极微机械加速度计系统。
【背景技术】
[0002] 微机械加速度计结合了MEMS工艺和1C工艺的技术优势，具有体积小、功耗小、成 本低等特点，在民用和军事应用中均具有巨大潜力，已成为各国研宄机构或公司的研宄热 点。其中电容式微加速度计由于低功耗、高灵敏度、结构简单、温度敏感性低等优点而逐渐 成为微加速度计研宄的主流。
[0003] 加速度计可以工作在开环状态或者闭环状态。开环工作状态下，加速度计的输出 由动极板的位移和位移检测电路决定，但动极板偏离平衡位置会使输出存在非线性。闭环 工作状态下，由输出决定的反馈力被加载到加速度计敏感结构上，使动极板回到平衡位置， 加速度计克服位移引起的非线性影响。闭环工作的加速度计的输出与需要保持动极板在平 衡位置的静电力成正比，对敏感结构和电路的工艺偏差也更不敏感。
[0004] 现有技术中通常采用高阶2-△微加速度计结构，实现了低噪声数字输出微机械 加速度计系统。但系统的输出仍与动极板的位移直接相关，存在较大的非线性，对敏感结构 和电路的工艺偏差非常敏感。
【发明内容】
[0005] 综上所述，确有必要提供一种可以使动极板保持在平衡位置且对敏感结构和电路 的工艺偏差不敏感的三电极微机械加速度计数字闭环控制电路及其接口电路，以及采用该 数字闭环控制电路的三电极微机械加速度计系统。
[0006] -种三电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其包括：
[0007] 电容读出前端电路，用于检测所述三电极微机械加速度计的极板间差分电容，并 转换为成比例的电压信号；
[0008] 控制器，接收所述电容读出前端电路输出的电压信号，并调节以改变所述三电极 微机械加速度计和数字闭环控制电路组成的系统的开环传递函数，保证该系统的稳定性和 动态性能，该控制器包括一积分器，该积分器用于使低频区域输入为零的所述电压信号输 出不为零；
[0009] 2-A调制器，用于将所述控制器输出的信号转换成位流信号，并提供数字输出， 以及
[0010] 反馈电压产生电路，根据所述位流信号产生载波和反馈信号作用于所述三电极微 机械加速度计的三个极板上，并在三个极板间产生反馈静电力，使所述三电极微机械加速 度计的动极板处于平衡位置。
[0011] -种三电极微机械加速度计接口电路，其包括时钟产生电路、参考电压产生电路、 偏置电流产生电路以及所述数字闭环控制电路，其中，所述时钟产生电路为所述电容读出 前端电路、控制器、2-A调制器以及反馈电压产生电路提供时钟信号，所述参考电压产生 电路为所述电容读出前端电路、控制器、2-△调制器以及反馈电压产生电路提供参考电 压，所述偏置电流产生电路为所述电容读出前端电路、控制器以及2-△调制器提供偏置 电流。
[0012] -种三电极微机械加速度计系统，包括三电极微机械加速度计以及所述三电极微 机械加速度计接口电路。
[0013] 相对于现有技术，本发明通过使用包含积分器的控制器来实现所述三电极微机械 加速度计数字闭环控制电路，采用该控制器可以使在低频区域所述电容读出前端电路输出 的电压信号为零时，该数字闭环控制电路的输出信号仍然不为零，即可以很好地控制所述 三电极微机械加速度计的动极板即使在有加速度信号输入的情况下仍然能保持在平衡位 置，从而克服了动极板位移造成的非线性。此外，该数字闭环控制电路对加速度计的敏感结 构和电路的工艺偏差不敏感，从而有效地提高了所述三电极微机械加速度计系统的稳定性 和动态性能，该三电极微机械加速度计系统还适于进行大批量加工。
【附图说明】
[0014]图1是本发明实施例提供的三电极微机械加速度计系统的功能框图。
[0015] 图2是本发明实施例提供的三电极微机械加速度计的结构示意图。
[0016] 图3是本发明实施例提供的三电极微机械加速度计接口电路的功能框图。
[0017] 图4是本发明实施例提供的三电极微机械加速度计数字闭环控制电路的功能框 图。
[0018] 图5是本发明实施例提供的三电极微机械加速度计系统的功能模块连接框图。
[0019] 图6是本发明实施例提供的三电极微机械加速度计数字闭环电路中电容读出前 端电路的原理图。
[0020] 图7是本发明实施例提供的三电极微机械加速度计数字闭环电路中采用全差分 开关电容积分器作为控制器的电路原理图。
[0021] 图8是本发明实施例提供的三电极微机械加速度计数字闭环电路工作所述的主 时钟、第一时钟相、第二时钟相以及控制器中斩波电路不交迭时钟的时序图。
[0022] 图9是本发明实施例提供的三电极微机械加速度计数字闭环电路中采用单端控 制器作为控制器的电路原理图。
[0023]图10是本发明实施例提供的三电极微机械加速度计数字闭环电路中单端转差分 电路的电路原理图。
[0024] 图11是本发明实施例提供的三电极微机械加速度计数字闭环电路中2-A调制 器的功能模块连接框图。
[0025] 图12是本发明实施例提供的三电极微机械加速度计数字闭环电路的工作时序 图。
[0026]图13是本发明实施例提供的三电极微机械加速度计系统的开环传递函数波特 图。
[0027] 主要元件符号说明
[0028] 三电极微机械加速度计系统 100
[0029] 三电极微机械加速度计 10
[0030] 敏感质量块、动极板 12
[0031] 梁 14
[0032] 上极板 16
[0033] 下极板 18
[0034] 接口电路 20
[0035] 数字闭环控制电路 30
[0036] 电容读出前端电路 32
[0037] 控制器 34
[0038] 带斩波电路的全差分开关电容积分器34a，34b
[0039]斩波电路 342,342'
[0040] 2-A调制器 36
[0041] 第一级积分器 362
[0042] 第二级积分器 364
[0043] 第三级积分器 366
[0044] 量化器 368
[0045] 电压反馈产生电路 38
[0046] 时钟产生电路 40
[0047] 参考电压产生电路 42
[0048] 偏置电流产生电路 44
[0049] 如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
【具体实施方式】
[0050] 以下将结合附图详细说明本发明提供的三电极微机械加速度计数字闭环控制电 路及其接口电路以及三电极微机械加速度计系统。
[0051] 请参阅图1，本发明实施例首先提供一种三电极微机械加速度计系统100,该三电 极微机械加速度计系统100包括三电极微机械加速度计10以及与该三电极微机械加速度 计10连接的接口电路20,该接口电路20可获取输入到所述三电极微机械加速度计10的加 速度信息，并产生载波和反馈信号加载到三电极微机械加速度计10。
[0052] 请参阅图2,所述三电极微机械加速度计10为一电容式加速度计，其包括敏感质 量块12、梁14、上极板16以及下极板18。所述三电极微机械加速度计10包括两根所述梁 14连接在所述敏感质量块12沿敏感方向上的两端。当外界输入加速度时，所述敏感质量块 12会沿所述敏感方向运动，该敏感质量块12可引出电极作为该三电极微机械加速度计10 的动极板（中间极板）。所述上极板16和下极板18为定极板。本发明实施例中为简化说 明，采用标号12同时表示所述动极板。所述动极板12在所述外界输入加速度的作用下，相 对于固定不动的所述上极板16和下极板18会产生位移，从而所述上极板16与动极板12、 所述下极板18与所述动极板12之间的差分电容会发生变化，进而来检测外界输入的加速 度的大小。电容式的三电极加速度计均适用于本发明。本发明实施例中，所述三电极微机 械加速度计10为梳齿电容式加速度计。该梳齿电容式加速度计的所述敏感质量块12沿敏 感方向的两边设置有多对动梳齿，可随所述敏感质量块运动。所述上极板16以及下极板18 也均沿敏感方向设置多对定梳齿。
[0053]请参阅图3，所述接口电路20包括数字闭环控制电路30、时钟产生电路40、参考电 压产生电路42以及偏置电流产生电路44。所述接口电路20通过所述数字闭环控制电路 30连接于所述三电极微机械加速度计10,所述