CN114868023A - 具有条件电容检测的摆式加速度传感器 - Google Patents

Abstract

这种加速度传感器包括壳体(2)、固定至壳体的摆锤(3)、由摆锤承载并连接至检测电路(7)的可动电极(5.3)、第一电极(5.1)和第二电极(5.2)、以及控制单元(8)，第一电极和第二电极与壳体固定连接以与可动电极形成具有可变电容的两个电容器，可变电容取决于电极之间的距离，控制单元(8)被设计为：执行检测操作以便测量电容器的可变电容；并根据所测量的电容，通过施加逻辑信号(bs)以控制开关(9)将固定电极选择性地连接至驱动电路(6)，从而将控制信号(u)传送至固定电极，来执行对可动电极的控制操作，以便将摆锤保持在预定位置。控制单元被配置为在每个校准周期，在固定电极中的、根据控制信号的逻辑电平所选择的一个处施加第一检测信号，以及在另一个固定电极处施加第二检测信号；控制信号(u)被施加至施加第二检测信号的电极。

Description

具有条件电容检测的摆式加速度传感器

本发明涉及一种用于检测物理量的、具备静电控制和检测的闭环摆式加速度传感器以及用于控制这种传感器的方法。该传感器例如是微机电系统(Micro ElectroMechanical System，MEMS)技术传感器。

静电摆式加速度计包括壳体和震动质量块(seismic mass)，该震动质量块通过一个或多个铰链连接至壳体，该铰链被定位成使得震动质量块形成相对于壳体可移动(要么平移要么转动)的摆锤。通常通过三个电极来检测震动质量块在加速度作用下的运动。

第一固定电极和第二固定电极与壳体构成一体，并连接至驱动电路。

第三电极是可动的，该第三电极由摆锤承载并连接至检测电路。

每个固定电极均与可动电极形成一个电容，该电容的值取决于固定电极与可动电极之间的间距。在没有制作缺陷且当传感器没有受到沿其敏感轴的加速度时，摆锤保持在其中间位置，在该中间位置处两个电容相等。另一方面，当摆锤受到沿传感器的敏感轴的加速度时，摆锤移动，使得可动电极与上述固定电极中的一个形成的电容连续减小，且可动电极与另一个固定电极形成的电容增加。

这种电容变化还取决于壳体的形变和摆锤的形变。

在闭环操作中，通过向摆锤施加一个必须补偿沿敏感轴所施加的加速度的静电力，来将摆锤的位置伺服控制在位于这些固定电极中间的中间位置或目标位置。该静电力是由为了保持电容差为零而施加到这些电极的电压产生的。

该传感器针对每个固定电极包括一驱动电路，这些驱动电路设置为向这些电极供电以产生所述静电力。

与所施加的电压有关的静电力的二次(quadratic)特性，使执行摆锤的伺服控制和加速度的估计的控制电路的设计复杂化。

为了克服这个困难，已知使用校准后的电压脉冲来完全控制或者不控制摆锤。

这些脉冲被施加到这些电极的任一上，这取决于是拉动还是推动摆锤以使摆锤回到其目标位置的问题。则旨在分别推动、拉动摆锤的脉冲的密度(即每个时间间隔的脉冲数量)是待测量的加速度的仿射函数。

因此，零加速度是由两个方向上平均相等数量的脉冲补偿的。

然而，施加到两个电极的脉冲可能由于施加到第一固定电极的脉冲的持续时间和施加到第二固定电极的脉冲的持续时间之间存在差异，而是不完全对称的。

在这种情况下，通过伺服控制对脉冲密度进行修改，以使摆锤保持在目标位置，而这使得加速度的估计产生偏差。

为了改善这种类型的传感器的性能，在文献WO 2014/128027中提出了使用一共用驱动电路，从而限制了驱动电路的制作不对称性和电子器件老化的问题。

在文献WO 2017/85142中还提出了：执行精密控制阶段以发送中等(moderate)控制脉冲，从而允许在减小的测量范围内获得最优的性能；以及执行扩展的操作控制阶段，在扩展的操作控制阶段中，发送高幅度控制脉冲以扩展测量范围，以在满量程下偏置传感器，可能会降低性能。

上述传感器尽管在许多方面都是有利的，但具有相对高的功耗。

鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种静电摆式加速度传感器，该传感器具有减小的电力消耗，同时保持改进的性能。

此外，本发明的另一目的是提出这种具有简易实施结构的传感器。

因此，本发明提出一种加速度传感器，该加速度传感器包括壳体、固定至壳体的摆锤、由摆锤承载并连接至检测电路的可动电极、固定的第一电极和第二电极、以及控制单元；第一电极和第二电极与壳体构成一体，以与可动电极形成具有可变电容的两个电容器，这些可变电容取决于这些电极之间的距离；该控制单元被配置为：执行检测操作以测量这些电容器的可变电容；并根据所测量的电容，通过施加逻辑信号以控制开关选择性地将固定电极连接至驱动电路，从而将控制信号传送至固定电极，来执行对可动电极的控制操作，以使摆锤保持在预定位置。

控制单元被配置为：在每个校准周期，在所述固定电极中的、根据控制信号的逻辑电平所选择的一个处施加第一检测信号，以及在另一个固定电极处施加第二检测信号；控制信号被施加至施加第二检测信号的电极。

因此，通过施加两个检测信号和一个控制信号，减少了开关的切换次数，从而实现了传感器消耗的降低和性能的提高。

根据另一特征，第一检测信号和第二检测信号是时隙形式的信号。

根据又一特征，开关包括处于驱动电路所提供的参考电位的第一输入端、和处于零电位的第二输入端，以将所述固定电极选择性地连接至驱动电路或零电位。

在一个实施例中，驱动电路包括数模转换器，该数模转换器连接至开关并由控制单元控制。

检测电路可包括放大器级，该放大器级具有连接至可动电极的输入端、和连接至模数转换器的输出端，该模数转换器具有连接至控制单元的输出端。

例如，控制单元包括第一摆锤位置估计器，第一摆锤位置估计器在输入端处连接至检测电路的输出端，在输出端处连接到比较器的负输入端，该比较器具有连接至校正器的输入端的输出端，该校正器具有连接至定序器和第二估计器的输出端，该第二估计器具有连接至比较器的正输入端的第一输出端、和提供估计的加速度的第二输出端。

在一个实施例中，控制单元被配置为通过共用的检测和控制脉冲来施加第二检测信号和控制信号。

本发明的目的还有一种用于控制如上限定的加速度传感器的方法，该方法包括以下步骤：

-通过在每个校准周期，在所述固定电极中的、根据控制信号的逻辑电平所选择的一个处施加第一检测信号、且在另一个固定电极处施加第二检测信号，来检测这些电容器的可变电容；

-根据所测量的电容，通过施加逻辑信号以控制开关将固定电极选择性地连接至传送控制信号的驱动电路，以向施加第二检测信号的电极施加控制信号，来控制可动电极。

根据该方法，第二检测信号和控制信号有利地通过共用的检测和控制脉冲来施加。

本发明的其它目的、特征和优点将在阅读以下仅通过非限制性示例给出的、并参考附图作出的描述时呈现，在附图中：

[图1]为根据本发明的一个实施例的传感器的示意图。

[图2]

和

[图3]为示出了根据控制信号的逻辑电平将第一检测信号和第二检测信号、以及控制信号施加到固定电极的时序图。

[图4]为示出了本发明的另一个实施例的时序图，其中，施加到受控电极的检测信号以及控制信号通过一共用的检测和控制脉冲施加。

图1示出了根据本发明的加速度传感器，由通用参考数字1表示。

此处，加速度传感器是微机电系统，也称为MEMS，该微机电系统通过蚀刻诸如硅的晶态或半晶态材料的板来实现。

该传感器包括壳体2，固体3通过铰链4铰接至壳体2，该铰链4以这样的方式定位：固体3根据枢转运动形成相对于壳体2可动的摆锤。

传感器1包括第一固定电极5.1、第二固定电极5.2和第三电极5.3；第一固定电极5.1和第二固定电极5.2与壳体2构成一体，且连接至由标号6表示的驱动电路；第三电极5.3由固体3承载，并连接至检测电路7。控制单元8连接至驱动电路6和检测电路7。

驱动电路6包括连接至开关9的输出端，该开关具有连接至第一电极5.1和第二电极5.2的两个位置，以将第一电极5.1和第二电极5.2选择性地连接至驱动电路6。

更具体地，开关9包括开关I1和开关I2，开关I1设置成将第一电极5.1要么连接至驱动电路6的输出端要么接地，开关I2设置成将第二电极5.2要么连接至驱动电路6的输出端要么接地。

开关9由控制单元8控制。

控制单元8包括第一估计器10，第一估计器10在输入端处连接至检测电路7，且在输出端处连接至比较器11的负输入端，该比较器11具有连接到校正器12的输入端的输出端，该校正器12的输出端连接至定序器13。

控制单元8还包括第二估计器14，该第二估计器14具有连接至校正器12的输出端的输入端，连接至比较器11的加法输入端的输出端，以及提供估计的加速度γe的输出端。

此外，驱动电路6包括数模转换器15，该数模转换器15连接至开关9并由控制单元8控制。

检测电路7包括主放大器级16，该主放大器级16包括电荷放大器17，该电荷放大器17配备有开关I₃和具有电容Cref的回路电容器18。

放大器级具有连接至可动电极5.3的输入端、以及连接至模数转换器19的输入端的输出端，该模数转换器19具有连接至控制单元的第一估计器10的输出端。

该传感器操作如下。

控制单元8管理传感器的操作，特别是管理以频率FS校准的各种操作的时序。定序器13通过连续地且周期地通过控制u控制数模转换器15、通过控制s控制模拟开关I1和开关I2、通过控制c控制模数转换器19、以及通过控制r控制模拟开关I3，对校准周期Ts内的操作进行排序。

根据控制s的逻辑状态，电极5.1和5.2中的一个连接至数模转换器15的输出端V，而同时另一个电极5.2或5.1接地。因此，连接至该转换器的输出端的电极被定位在驱动电路6所提供的参考电位。

加速度传感器由控制单元控制，以在每个校准周期TS执行检测可变电容Ch和Cb的阶段和控制阶段；可变电容Ch形成在第一固定电极5.1和可动电极5.3之间，可变电容Cb形成在第二固定电极5.2和可动电极5.3之间；在控制阶段中，向这些固定电极中的一个施加激励信号，以使摆锤由于施加到电容器(其固定电极已由控制s选择)的极板上的静电力而返回其目标位置。在检测阶段结束时，校正器10确定逻辑控制信号bs的正负号，以便确定应该将控制信号u施加到固定电极5.1还是施加到固定电极5.2。

如果bs＝+l，则向电极5.2施加电压，这将摆锤拉向该电极5.2。

如果bs＝-l，则向电极5.1施加电压，这将摆锤拉向该电极5.1。

根据控制信号bs的正负号有条件地执行电容的检测，这些检测的时间顺序由bs的正负号确定。

以下关系式给出了，称为“高”固定电极的第一固定电极的电容C_h的线性表达式、以及称为“低”固定电极的第二固定电极的电容C_h的线性表达式：

以及，以下关系式给出了摆锤的相对位置：

其中，C₀表示初始电容，C₁表示有效(active)电容，z为摆锤的位置，e为气隙的宽度，即电极5.1和电极5.3之间或电极5.2和电极5.3之间的距离，在静止时电极5.1和电极5.3之间的距离与电极5.2和电极5.3之间的距离相等，V_ref为由模数转换器15提供并施加到电极的参考电压，以及Q_b和Q_h为传输至检测电路7的电荷，这些电荷对应于受到从0到Vref变化的电压上升沿影响的、可变电容器端部处的电荷变化量。

因此，对于每个校准周期，在检测阶段，执行两个电容的读取以估计摆锤的位置并向校正器供电。

在一个校准周期内，摆锤的位置在两次测量之间变化很小。

可变电容的检测是条件检测，电容检测的顺序取决于来自校正器12的逻辑控制信号bs的正负号。因此，对检测的顺序执行伪随机排列；由于控制信号bs在Σ-Δ(Sigma-Delta)型回路中的特性(这些特性是尤其由校正器12确定的高通传递函数过滤的白噪声的特性)，因此该排列是伪随机的。

在非受控电极上执行第一次检测，在即将被控制的电极上执行第二次检测；控制逻辑信号从实时周期的开始就可用，这是由于一旦在上一个校准周期进行的检测有效，就会启动该控制逻辑信号的计算。

参考图2，例如，当bs＝+1时，通过施加读取脉冲对高电极5.1执行第一次检测D1，然后通过施加第二测量脉冲在低电极上执行第二次检测D2。

然后通过对开关9进行控制，将控制脉冲提供给低电极Vb。

参考图3，在bs＝-1的情况下，脉冲检测顺序是相反的。

这种条件检测使得能够限制开关9的切换次数并因此减少消耗；该控制直接施加到待控制的电极。实际上，不再需要对在检测阶段D2和控制阶段之间保持在相同状态的开关9进行操作。

还应当注意的是，以高频改变检测的顺序。因此，控制脉冲所引起的电子源偏差由于控制脉冲的伪随机性而被转换为噪声。

实际上，任何检测偏差都会产生频谱表现与脉冲控制信号bs的频谱表现相同的噪声。由于条件检测，通过乘以控制信号bs的平均值(mean value)，上述偏差得到了显著减少，仅噪声保持不变，提高了噪声容限。

因此，对于条件检测施加的寄生的力和对于位置测量本身，条件检测都变得伪随机。

此外，鉴于在现有技术中检测脉冲是周期性的，并且这些检测脉冲的频谱由线构成，因此排列具有频谱扩散效应，这使得会限制高频寄生模式的激励，尤其是使得会通过变得持久且缓慢变化(或者换言之频率不那么单一)的控制来调节该激励。

此外，参考图4，根据另一方面，第二电容检测脉冲和控制脉冲形成一共用的检测和控制脉冲。

换言之，控制信号的上升沿被移位，以与第二检测信号的下降沿相一致。

该实施方式允许通过相同的脉冲信号来执行电容检测和控制。

由检测和控制脉冲施加的力、与由施加到另一个电极的第一检测信号施加的力之间的差，构成施加至摆锤的静电力，该静电力的方向由控制信号bs决定。

检测是通过检测和控制信号的载波来执行的，而控制是在基带中执行的。

理论上，这种实施方式仍然允许通过减少开关9的切换来减少三分之一的消耗。

类似地，实现了由于波形导致的偏移误差的三分之一的减少，该偏移误差取决于校准周期内的脉冲数。

最后，完全消除了由波形导致的比例因子误差。

实际上，与所施加的力等效的加速度被写成：

其中：C₁为有效电容，e为气隙的宽度，m为摆锤的质量，σh²和σb²为在每个校准周期施加到高电极和低电极的电压的均方。

在具有三个检测和控制脉冲的实施方式中，所施加的力被写成：

其中，

对应于偏差，且

对应于比例因子。

通过实施第一检测脉冲、以及第二检测和控制脉冲，所施加的力被写成：

假设时间常数比脉冲的持续时间短，则任何波形错误σerr²无论其是在检测脉冲上还是在控制脉冲上，都会产生叠加到理论均方的相同影响。

通过注意该缺陷的ε_t不对称部分，我们得到：

在三个脉冲的实施方式中，我们得到：

其中，

对应于偏差，且(σ_c,th ²+σ_err ²)对应于比例因子。

通过两个脉冲的实施方式，我们得到：

其中，

对应于偏差，且(σ_c,th ²-σ_d,th ²)对应于比例因子。

由此可见，检测脉冲引起的误差补偿了控制脉冲引起的误差。

消除了比例因子误差，且在初步校准阶段不需要再考虑比例因子误差，这在某些工作温度下和传感器老化期间可能是很重要的。

Claims (9)

1.一种加速度传感器，包括壳体(2)、固定至所述壳体的摆锤(3)、由所述摆锤承载并连接至检测电路(7)的可动电极(5.3)、固定的第一电极(5.1)和第二电极(5.2)、以及控制单元(8)；所述第一电极(5.1)和所述第二电极(5.2)与所述壳体构成一体，以与所述可动电极形成具有可变电容的两个电容器；所述可变电容取决于所述电极之间的距离；所述控制单元(8)被配置为：执行检测操作，以测量所述两个电容器的所述可变电容；并根据测量的所述电容，通过施加逻辑信号(bs)以控制开关(9)将所述固定电极选择性地连接至驱动电路(6)，从而将控制信号(u)传送至所述固定电极，来执行对所述可动电极的控制操作，以使所述摆锤保持在预定位置，其特征在于，所述控制单元被配置为：在每个校准周期，在所述固定电极中的、根据所述控制信号的逻辑电平所选择的一个处施加第一检测信号，以及在另一个固定电极处施加第二检测信号；所述控制信号(u)被施加至施加所述第二检测信号的所述电极。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第一检测信号和所述第二检测信号是方波形式的信号。

3.根据权利要求1和2中的一项所述的传感器，其中，所述开关(9)包括处于所述驱动电路(6)所提供的参考电位的第一输入端、和处于零电位的第二输入端，以将所述电极选择性地连接至所述驱动电路或所述零电位。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器，其中，所述驱动电路(6)包括数模转换器，所述数模转换器连接至所述开关(9)且由所述控制单元(8)控制。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器，其中，所述检测电路(7)包括放大器级，所述放大器级具有连接至所述可动电极(5.3)的输入端、和连接至数模转换器的输出端，所述数模转换器具有连接至所述控制单元的输出端。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器，其中，所述控制单元(8)包括第一摆锤位置估计器(10)，所述第一摆锤位置估计器(10)在输入端处连接至所述检测电路的输出端，并在输出端处连接至比较器(11)的负输入端，所述比较器(11)具有连接到校正器(12)的输入端的输出端，所述校正器(12)具有连接至定序器(13)和第二估计器(14)的输出端，所述第二估计器(14)具有连接至所述比较器的正输入端的第一输出端、和提供估计的加速度的第二输出端。

7.根据权利要求1至6中一项所述的传感器，其中，所述控制单元(8)被配置为通过共用的检测和控制脉冲来施加所述第二检测信号和所述控制信号。

8.一种用于控制根据权利要求1至7中任一项所述的加速度传感器的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-通过在每个校准周期，在所述固定电极(5.1、5.2)中的、根据所述控制信号的逻辑电平所选择的一个处施加第一检测信号、且在另一个固定电极处施加第二检测信号，来检测所述两个电容器的所述可变电容；

-根据所测量的所述电容，通过施加逻辑信号以控制开关(9)将所述固定电极选择性地连接至传送控制信号的驱动电路(6)，以向施加所述第二检测逻辑信号的所述电极施加所述控制信号(u)，来控制所述可动电极(5.1)。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第二检测信号和所述控制信号通过共用的检测和控制脉冲来施加。

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