线性电容式位移传感器的制造方法
【专利说明】线性电容式位移传感器 发明领域
[0001 ] 本发明总体上涉及由传感器进行的位移测量以及更具体地涉及电容式位移感测。
[0002] 背景
[0003] 在各种各样的环境中使用位移传感器。例如，它们在汽车应用、运动感测应用、航 空应用等等中被使用。令人期望的是针对许多这些应用来提供准确且低成本的位移传感 器。本发明解决了这种需要。
[0004] 概述
[0005] 在此披露了一种用于测量结构的位移的方法和系统。该方法和系统包括提供第一 电容以及提供第二电容。第一和第二电容共享公共端子。该方法和系统进一步包括当结构 被移位时，确定第一和第二电容的值的倒数的差。第一电容与结构的位移以倒数关系变化。
[0006] 附图简要说明
[0007] 图Ia示出了共享一个膜片的电容式传感器的简图。
[0008] 图Ib示出了共享一个固定电极的电容式传感器的简图。
[0009] 图2a示出了在第一阶段测量Cs的配置，其中，使用运算放大器来调节在感测电极 处的电压以及由阶跃驱动电压Vd来驱动C 3和C g的公共端子。
[0010] 图2b示出了在第二阶段测量Cg的配置，其中，使用运算放大器来调节在间隙电极 处的电压以及由阶跃驱动电压-Vd来驱动C 3和C g的公共端子。
[0011] 图2c示出了在第三阶段相对于Cg使输出线性化的配置，其中，分别对第一两个阶 段的输出进行采样的QJP Cu都连接至运算放大器的负输入端。
[0012] 图2d示出了在第四阶段相对于Cs使输出线性化的配置，其中，在C &处采样的第 三阶段输出连接至运算放大器的输入端。
[0013] 图2e示出了在第一阶段通过在公共端子处进行感测来对(；和(^的差进行测量的 替代性配置，其中，使用运算放大器来调节公共端子电压。
[0014] 图3a示出了在第一阶段用公共模式电荷消除电容器(；测量Cs的配置，其中，感测 电容器(；和固定电容参考电容器Cr都连接至运算放大器的负输入端。
[0015] 图3b示出了在第二阶段用公共模式电荷消除电容器(；测量Cg的配置，其中，感测 电容器Cg和固定参考电容器Cr都连接至运算放大器的负输入端。
[0016] 图4a示出了在第一阶段对CJPCg的差进行测量的配置，其中，使用差分运算放大 器来调节在感测电极和间隙电极处的电压。
[0017] 图4b示出了在第二阶段相对于Cg使输出线性化的配置，其中，对第一阶段输出进 行采样的Qsp和C ^都连接至差分运算放大器的负输入端。
[0018] 图4c示出了在第三阶段相对于Cs使输出线性化的配置，其中，对第二阶段输出进 行采样的Cup和C Un都连接至差分运算放大器的这些输入端。
[0019] 图5a示出了在第一阶段对CJPCg的差进行测量的配置，其中，使用第二级放大器 来;S减公共模式干扰。
[0020] 图5b示出了在第二阶段相对于Cg使输出线性化的配置，其中，对第一阶段输出进 行采样的Qsn连接至差分运算放大器的负输入端。
[0021] 图5c示出了在第三阶段相对于Cs使输出线性化的配置，其中，对第二阶段输出进 行采样的Cun连接至差分运算放大器的这些输入端。
[0022] 图6示出了根据一个实施例的电容式位移传感器的线性化的方法流程图。
[0023] 详细描述
[0024] 本发明总体上涉及由传感器进行的位移测量以及更具体地涉及电容式位移感测。 呈现以下描述以使得本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明，并且以下描述是在专 利申请及其要求的背景下提供的。对优选实施例的多项修改和在此描述的通用原理及特征 对本领域的技术人员将是很明显的。因此，本发明不旨在受限于所示出的实施例，而是旨在 符合与在此描述的原理和特征相一致的最广泛的范围。
[0025] 如在图Ia中所示的，电容式传感器100的物理结构包括一个（或多个）膜片101 以及固定电极102和103的集合。施加到该膜片的一侧（或两侧）的力F将导致其偏转直 到弹性力平衡掉该力。一个感测电极102位于该膜片的下面并且其中，膜片101在104处变 形以及一个间隙电极103位于将膜片101牢牢地夹紧的106处。膜片101与固定电极102 和103的重叠形成两个电容：感测电容CsIlO和间隙电容CgIll。
[0026] 在如图Ib中所示的第二实施例中，电容式传感器100'的物理结构还包括一个（或 多个）移动电极122以及固定电极120和124的集合。施加到移动电极122的力F将改变 相对于固定电极124的位移。移动电极122和固定电极124形成感测电容Cs126。固定电 极120和固定电极124形成间隙电容Cg128。
[0027] 力F可以与各种机械或物理性质相关。压力和加速度是已知的电容式传感器应用 的两个示例。
[0028] 在图Ia和图Ib中所示的传感器100和100'的位移可以由以下等式描述：
[0029] X = g〇-f(F) (1)
[0030] 其中，g。是初始位移、F是所施加的力并且电极的分离是所施加的力的线性函数或 仿射函数f (F)以及X是力F出现时的有效位移。
[0031] 假设可以使用平行极板模式并且忽略边缘场，感测电容Cs和间隙电容CgS以下等 式给出：
[0034] 其中，ε。是真空介电常数、ε ^是电极之间或电极与膜片之间的材料的相对介电 常数、A是电极之间的重叠区域或电极与膜片之间的重叠区域以及X是位移。从以上等式 看到，电容相对于位移X以非线性的方式变化。
[0035] 通过电容的倒数可以实现第一级线性化vs.力：
[0037] 针对电容感测的通常问题为初始间隙g。易受温度和应力的影响。为了消除g。变 化，间隙电容的倒数与感测电容的倒数之间的差由以下等式（5)给出： CN 105121997 A W 切卞 3/7 页
[0039] 由于CJPCg共享同一端子，可以通过多个阶段来完成测量。如在图2a至图2d中 所示的，带有多阶段操作的单端读出电路可以生成与等式（5)成比例的输出。
[0040] 图2a示出了在第一阶段测量Cs202的配置，其中，使用运算放大器220来调节在 感测电极处的电压。（；202和(；201的公共端子由正阶跃电压VD231所驱动。由于在这个 阶段期间Cg201被从运算放大器220的输入端断开，仅有穿过Cs202的净电荷传送至反馈电 容(；203。在第一阶段操作结束时由负载电容Q204采样的输出电压VQUT230由以下等式给 出：
[0042] 图2b示出了在第二阶段测量Cg201的配置，其中，Cs202和Cg201的公共端子由负 阶跃电压_VD232所驱动。由于Cs202被从运算放大器220的输入端断开，仅有穿过C g201的 净电荷传送至反馈电容Cf203。在第一阶段操作结束时由负载电容Cu205采样的输出电压 Vl3uJSO由以下等式给出：
[0044] 图2c示出了在第三阶段相对于Cg201使输出线性化的配置，其中，分别对第一两 个阶段的输出进行采样的Qs204和Cu205都连接至运算放大器220的负输入端。存储在 Q204和Cu205的电荷传送至反馈电容Cg201。在第三阶段操作结束时由负载电容Q206 采样的输出电压V13JSO由以下等式给出：
[0046] 图2d示出了在第四阶段相对于Cs202使输出线性化的配置，其中，在(：?χ206处采 样的第三阶段输出连接至运算放大器220的输入端。存储在(：?χ206处的电荷传送至反馈电 容(；202。在第四阶段操作结束时由负载电容Q207采样的输出电压VQUT230由以下等式给 出：
[0048] 通过设置Qs204等于Cu205，等式（9)可以被简化为：
[0050] 由等式（10)，读出电路的输出可以相对于位移传递该线性函数并且通过基于灵敏 度Cs设置V D，Cbi, Cu和C f来调节读出电路的换能器增益。
[0051] 图2e示出了在第一阶段通过在公共端子212处进行感测来对Cs202和C g201的差 进行测量的替代性配置，其中，使用运算放大器220来调节在公共端子212处的电压。Cs202 的电极211和Cg201的电极210分别由带有VD231和-VD232的幅值的阶跃驱动电压所驱动。 穿过(；202和(；201的净电荷传送至反馈电容Cf203。在第一阶段操作结束时由负载电容 Q204采样的输出电压￥_230由以下等式给出：
[0053] 根据等式（11)，在图2a至图2d中所描述的四个阶段测量可以被简化成三个阶段： 针对第一阶段的配置的图2e、分别针对接下来的两个阶段的配置的图2c和图2d。但是存 在对从公共端子进行感测的限制：在公共端子212于其中是暴露于外部环境的应用中，其 易受电磁干扰（EMI)、灰尘和湿度等等的影响。由于额外的屏蔽和泄漏，读出准确性和噪声 性能将会被降级。
[0054] 为了在第一两个阶段期间降低在输入端的潜在电荷干扰的任何机会（可能导致 运算放大器220转向并限制运算的速度），可以在第一两个阶段处增加能传递相反电荷的 固定电容。以下关于图3a和图3b详细地描述了此特征。
[0055] 图3a示出了在第一阶段用公共模式电荷消除电容器(；303测量Cs302的配置，其 中，感测电容器Cs302和固定电容参考电容器(；303都连接至运算放大器320的负输入端。 Cs302和Cg301的公共端子由正阶跃电压VD331所驱动，而(；303由负阶跃电压-V D332所驱 动。因为Cs302和(；303由相反的电势所驱动，仅有穿过Cs302和(；303的净电荷传送至反 馈电容Cf304。在第一阶段操作结束时由负载电容Q305采样的输出电压VQUT330由以下等 式给出：
[0057] 图3b示出了在第二阶段测量(；301的配置，其中，感测电容器Cg301和(；303都连 接至运算放大器320的负输入端。Cs302和Cg301的公共端子由负阶跃电压-VD331所驱动， 而(；303由带有幅值VD332的正阶跃电压所驱动。因为Cg301和(；303由相反的电势所驱 动，仅有穿过Cg301和(；303的净电荷传送至反馈电容Cf304。在第一阶段操作结束时由负 载电容Cu306采样的输出电压VQUT330由以下等式给出：
[0059] 相比于等式（6)，在等式（12)中存在一个额外的项以及相比于等式（7)，在等 式（13)中存在一个