抵消由傳感器電路貢獻的亂真力的用于換能器前端的使用單一放大器的線性電容－電壓 ...的制作方法
【專利摘要】公開了電容換能器系統，其減小起因于饋通電容或殘留靜電力的非線性。系統可以包括核心，具有耦合到第一可變電容器的第一輸入，耦合到第二可變電容器的第二輸入，和耦合到公共節點的核心輸出；放大器，具有可切換地耦合到公共節點的輸入和輸出；反饋路徑，將放大器輸出可切換地耦合到公共節點；及主時鐘，具有第一和第二相位，控制開關耦合系統組件。當時鐘在第一相位中時，第一核心輸入耦合到參考電壓，第二核心輸入耦合到負參考電壓，公共節點耦合到放大器輸出。當時鐘在第二相位中時，核心輸入接地，公共節點耦合到放大器輸入。系統可以具有單一放大器。中和電容器可以抵消饋通和寄生電容。
【專利說明】抵消由傳感器電路貢獻的亂真力的用于換能器前端的使用單一放大器的線性電容一電壓轉換器
【技術領域】
[0001]本專利涉及電容換能器，更具體地，涉及用于使用較少電路減小或消除起因于電容換能器中的亂真電容(spurious capacitance)和殘留靜電力的非線性的技術。
【背景技術】
[0002]換能器將一般物理量(例如，加速度、壓力等)轉換為可以由電子電路處理的量。具體地，響應于測量的輸入信號的量值，電容換能器產生電容的變化。用于電容換能器的讀出電路將由換能器產生電容變化變換為電信號。在該過程中，電路向換能器電極施加電壓波形。
[0003]電容加速度計是用于測量加速度的電容換能器，包括機械感測元件和讀出電路。圖1示出了電容加速度計的機械感測元件100的示例性實施例。在這個實施例中，機械感測兀件100包括懸掛在第一彈簧104與第二彈簧106之間的檢測質量塊102、第一電極110和第二電極112。質量塊102的近端耦合到第一彈簧104，質量塊102的遠端耦合到第二彈簧106。第一彈簧104具有兩端，第一端耦合到質量塊102的近端，第二端耦合到基底。第二彈簧106具有兩端；第一端耦合到質量塊102的遠端，第二端耦合到基底。公共電極M耦合到質量塊102，并隨質量塊102 —起相對于基底移動。第一和第二電極110、112相對于基底固定。在這個實施例中，將正參考電壓Vs施加到第一電極110，將負參考電壓-Vs施加到第二電極112。在第一電極110與公共電極M之間形成第一可變電容器C1，在第二電極112與公共電極M之間形成第 二可變電容器C2。
[0004]在這個實施例中，當系統靜止時，在第一電極110與公共電極M之間和在第二電極112與公共電極M之間存在基本上相等的額定間隙g(l，在第一可變電容器C1與第二可變電容器C2中產生了基本上相等的電容。輸入加速度將質量塊102相對于基底移動，這改變了在電極之間的間隙，并改變了可變電容C1X2的電容。在箭頭120方向上的加速度使質量塊102偏斜距離Λ X，該距離與輸入加速度成比例。質量塊102的這個移動將在第一電極110與公共電極M之間的距離增大到gfAx，并將第二電極112與公共電極M之間的距離減小到gcrAx，這改變了電容器(^和(:2的電容。可變電容CdP C2的電容C可以由以下確定:
/HF _
「0005]1/2 *—-
S0 土丄(I)
[0006]其中，ε ^是電介質介電常數，A是電容板的面積(其延伸到紙面中)，g(l是額定間隙，Ax是起因于加速度的位移。讀出電路基于電容器C1和C2的電容變化，確定Ax的值。
[0007]加速度計常常在嚴苛的充斥振動的環境中實現，例如自動化或工業環境。在這些環境中，加速度計通常需要良好的線性、低漂移性能和大的滿標度量程。常常選擇自平衡加速度計用于這些應用。自平衡加速度計測量(C1-C2V(CfC2)t5
[0008]圖2是自平衡電容橋200的示例性實施例的示意圖。圖2中所示的開關電容器實現方式的優點是輸入的直接DC偏置，而無需高電阻路徑，以及對過程和溫度的穩定且定義明確的傳遞函數。還提供了離散時間輸出信號，其可以由模數轉換器(ADC)直接數字化。圖2顯示了自平衡橋的單端實施例。
[0009]自平衡橋200包括傳感器核心和讀出或接口電路。傳感器核心210表示電容傳感器元件，例如圖1中所示的感測元件100，或者本領域中已知的各種其他電容傳感器元件之一。傳感器核心210包括兩個可變電容器C1和C2,稱合到傳感器核心210的輸出的共用公共節點M。讀出電路包括前向路徑，其將傳感器核心210的輸出通過提供增益的積分器222傳送到輸出在這個實施例中，積分器222包括放大器224，其具有積分電容器Ci。自平衡橋200還包括第一反饋路徑230和第二反饋路徑240，其將輸出電壓Vtl反饋到傳感器核心210。第一反饋路徑230通過第一反相放大器232將輸出電壓Vtl反饋到第一求和節點234。第一求和節點234將反相的輸出電壓-Vtl與反相的參考電壓-Vs求和，并將所得到的電壓-Vs-Vtl輸出到第一可變傳感器電容器Q。第二反饋路徑240通過第二反相放大器242將輸出電壓V。反饋到第二求和節點244。第二求和節點244將反相的輸出電壓-V。與參考電壓Vs求和，并將所得到的電壓Vs-Vtl輸出到第二可變傳感器電容器C2。
[0010]自平衡橋200嘗試使得兩個傳感器電容器C1和C2上的絕對電荷相等。在這些條件下，輸出電壓與在測量的電容器的差與和之間的比率成比例:
[0011]
【權利要求】
1.一種感測物理量的電容換能器系統，所述電容換能器系統包括: 電容核心，基于所述物理量產生核心輸出，所述電容核心包括第一可變電容器、第二可變電容器、耦合到所述第一可變電容器的第一核心輸入、耦合到所述第二可變電容器的第二核心輸入、以及耦合到所述第一可變電容器與所述第二可變電容器之間的公共節點的核心輸出； 放大器，具有輸入和輸出，放大器輸入可切換地耦合到所述公共節點，用于接收所述核心輸出，放大器輸出提供換能器輸出； 反饋路徑，將所述換能器輸出可切換地耦合到所述電容核心的所述公共節點； 主時鐘，具有第一相位和第二相位，所述主時鐘控制所述電容換能器系統的開關耦合組件的斷開和閉合； 其中，當所述主時鐘在第一相位中時，所述電容核心的所述第一輸入耦合到正參考電壓，所述電容核心的所述第二輸入耦合到負參考電壓，所述電容核心的所述公共節點耦合到所述換能器輸出，所述負參考電壓具有與所述正參考電壓基本相同的量值和相反的極性；并且 其中，當所述主時鐘在第二相位中時，所述電容核心的所述第一輸入和所述第二輸入耦合到地，并且所述電容核心的所述公共節點耦合到所述放大器輸入。
2.根據權利要求1所述的電容換能器系統，其中，所述放大器是所述電容換能器系統中僅有的放大器。
3.根據權利要求1所述的電容換能器系統，進一步包括中和電容器，所述中和電容器抵消所述電容換能器系統中的饋通電容和寄生電容。
4.根據權利要求3所述的電容換能器系統，其中，所述中和電容器被校準，以偏移所述電容換能器系統中的饋通電容和寄生電容。
5.根據權利要求3所述的電容換能器系統，其中，所述中和電容器可切換地耦合到所述放大器輸入和所述換能器輸出，以使得當所述主時鐘在所述第一相位中時，所述中和電容器被耦合到所述換能器輸出，以及當所述主時鐘在所述第二相位中時，所述中和電容器耦合到所述電容核心的所述公共節點，所述公共節點耦合到所述放大器輸入。
6.根據權利要求5所述的電容換能器系統，其中，所述放大器是所述電容換能器系統中僅有的放大器。
7.根據權利要求6所述的電容換能器系統,其中,所述電容核心包括第一固定電容板、第二固定電容板、第一可移動電容板和第二可移動電容板；其中，所述第一可移動電容板耦合到所述第二可移動電容板，以形成所述公共節點；所述第一可變電容器由所述第一固定電容板和所述第一可移動電容板形成；并且所述第二可變電容器由所述第二固定電容板和所述第二可移動電容板形成。
8.—種感測物理量的差動電容換能器系統，所述差動電容換能器系統包括: 第一電容核心，基于所述物理量產生第一核心輸出，所述第一電容核心包括第一可變電容器、第二可變電容器、耦合到所述第一可變電容器的第一核心輸入、耦合到所述第二可變電容器的第二核心輸入以及耦合到所述第一可變電容器與所述第二可變電容器之間的第一公共節點的第一核心輸出； 第二電容核心，基于所述物理量產生第二核心輸出，所述第二電容核心包括第三可變電容器、第四可變電容器、耦合到所述第三可變電容器的第三核心輸入、耦合到所述第四可變電容器的第四核心輸入、以及耦合到在所述第三可變電容器與所述第四可變電容器之間的第二公共節點的第二核心輸出； 差動放大器，具有一對差動輸入和一對差動輸出，差動輸入可切換地稱合到所述第一公共節點和所述第二公共節點，用于接收所述第一核心輸出和所述第二核心輸出，所述差動輸出提供所述換能器輸出； 第一反饋路徑，將所述換能器輸出可切換地耦合到所述第一電容核心的所述第一公共節點； 第二反饋路徑，將所述換能器輸出可切換地耦合到所述第二電容核心的所述第二公共節點； 主時鐘，具有第一相位和第二相位，所述主時鐘控制所述電容換能器系統的開關耦合組件的斷開和閉合； 其中，當所述主時鐘在所述第一相位中時，所述第一電容核心的所述第一輸入耦合到正參考電壓，所述第一電容核心的所述第二輸入稱合到負參考電壓，所述第一電容核心的所述第一公共節點耦合到所述換能器輸出，所述第二電容核心的所述第三輸入耦合到正參考電壓，所述第二電容核心的所述第四輸入耦合到負參考電壓，所述第二電容核心的所述第二公共節點耦合到反相的換能器輸出，所述負參考電壓具有與所述正參考電壓基本上相同的量值和相反的極性；并且 其中，當所述主時鐘在所述第二相位中時，所述電容核心的所述第一輸入、所述第二輸入、所述第三輸入和所述第四輸入耦合到共模電壓，并且所述第一電容核心和所述第二電容核心的公共節點耦合到所述差動放大器的所述差動輸入。
9.根據權利要求8所述的差動電容換能器系統，其中，所述差動放大器的所述一對差動輸入包括反相輸入和非反相輸入，所述差動放大器的所述一對差動輸出包括反相輸出和非反相輸出；所述反相輸入可切換地耦合到所述第一電容核心的所述第一公共節點，所述非反相輸入可切換地耦合到所述第二電容核心的所述第二公共節點，所述反相輸出可切換地耦合到所述第二電容核心的所述第二公共節點，并且所述非反相輸出可切換地耦合到所述第一電容核心的所述第一公共節點。
10.根據權利要求8所述的差動電容換能器系統，其中，所述差動放大器是所述差動電容換能器系統中僅有的放大器。
11.根據權利要求8所述的差動電容換能器系統，進一步包括中和電容器，所述中和電容器消除所述差動電容換能器系統中的饋通電容和寄生電容。
12.根據權利要求11所述的差動電容換能器系統，其中，所述中和電容器被校準，以偏移所述差動電容換能器系統中的饋通電容和寄生電容。
13.根據權利要求11所述的差動電容換能器系統，其中，所述中和電容器可切換地耦合到所述差動放大器輸入和所述差動放大器輸出，以使得當所述主時鐘在所述第一相位中時，所述中和電容器耦合在所述差動放大器的所述差動輸出之間，以及當所述主時鐘在所述第二相位中時，所述中和電容器耦合在所述差動放大器的所述差動輸入之間，所述差動放大器的所述差動輸入耦合到所述第一電容核心和所述第二電容核心的所述第一公共節點和所述第二公共節點。
14.根據權利要求13所述的差動電容換能器系統，其中，所述放大器是所述電容換能器系統中僅有的放大器。
15.根據權利要求14所述的差動電容換能器系統，其中，所述第一電容核心包括第一固定電容板、第二固定電容板、第一可移動電容板和第二可移動電容板；所述第一可移動電容板耦合到所述第二可移動電容板，以形成所述第一公共節點；所述第一可變電容器由所述第一固定電容板和所述第一可移動電容板形成；并且所述第二可變電容器由所述第二固定電容板和所述第二可移動電容板形成；并且 所述第二電容核心包括第三固定電容板、第四固定電容板、第三可移動電容板和第四可移動電容板；所述第三可移動電容板耦合到所述第四可移動電容板，以形成所述第二公共節點；所述第三可變電容器由所述第三固定電容板和所述第三可移動電容板形成；并且所述第四可變電容器由所述第四固定電容板和所述第四可移動電容板形成。
16.根據權利要求14所述的差動電容換能器系統，其中，所述第一可變電容器和所述第三可變電容器對于所述物理量的反應實質上相同，并且所述第二可變電容器和所述第四可變電容器對于所述物理量的反應實質上相同。
17.—種感測物理量的差動電容換能器系統，所述差動電容換能器系統包括: 第一電容核心，基于所述物理量產生第一核心輸出，所述第一電容核心包括第一可變電容器、第二可 變電容器、耦合到所述第一可變電容器的第一核心輸入、耦合到所述第二可變電容器的第二核心輸入、以及耦合到所述第一可變電容器與所述第二可變電容器之間的第一公共節點的第一核心輸出； 第二電容核心，基于所述物理量產生第二核心輸出，所述第二電容核心包括第三可變電容器、第四可變電容器、耦合到所述第三可變電容器的第三核心輸入、耦合到所述第四可變電容器的第四核心輸入、以及耦合到在所述第三可變電容器與所述第四可變電容器之間的第二公共節點的第二核心輸出； 差動放大器，具有反相輸入、非反相輸入、反相輸出和非反相輸出，所述反相輸入可切換地耦合到所述第一電容核心的所述第一公共節點，所述非反相輸入可切換地耦合到所述第二電容核心的所述第二公共節點，所述反相輸出可切換地耦合到所述第二電容核心的所述第二公共節點，并且所述非反相輸出可切換地耦合到所述第一電容核心的所述第一公共節點； 第一反饋路徑，將所述差動放大器的所述非反相輸出可切換地耦合到所述第一電容核心的所述第一公共節點； 第二反饋路徑，將所述差動放大器的所述反相輸出可切換地耦合到所述第二電容核心的所述第二公共節點； 主時鐘，具有第一相位和第二相位，所述主時鐘控制所述電容換能器系統的開關耦合組件的斷開和閉合； 其中，當所述主時鐘在所述第一相位中時，所述第一電容核心的所述第一輸入耦合到正參考電壓，所述第一電容核心的所述第二輸入稱合到負參考電壓，所述第一電容核心的所述第一公共節點耦合到所述差動放大器的所述非反相輸出，所述第二電容核心的所述第三輸入耦合到正參考電壓，所述第二電容核心的所述第四輸入耦合到負參考電壓，所述第二電容核心的所述第二公共節點耦合到所述差動放大器的所述反相輸出，所述負參考電壓具有與所述正參考電壓基本上相同的量值和相反的極性；并且 其中，當所述主時鐘在所述第二相位中時，所述電容核心的所述第一輸入、所述第二輸入、所述第三輸入和所述第四輸入耦合到共模電壓，所述第一電容核心的所述第一公共節點耦合到所述差動放大器的所述反相輸入，并且所述第二電容核心的所述第二公共節點耦合到所述差動放大器的所述非反相輸入。
18.根據權利要求17所述的差動電容換能器系統，其中，所述差動放大器是所述差動電容換能器系統中僅有的放大器。
19.根據權利要求18所述的差動電容換能器系統，進一步包括中和電容器，所述中和電容器消除所述差動電容換能器系統中的饋通電容和寄生電容。
20.根據權利要求19所述的差動電容換能器系統，其中，所述中和電容器可切換地耦合到所述差動放大器輸入和所述差動放大器輸出，以使得當所述主時鐘在所述第一相位中時，所述中和電容器耦合在所述差動放大器的所述差動輸出之間，以及當所述主時鐘在所述第二相位中時，所述中和電容器耦合在所述差動放大器的所述差動輸入之間，所述差動放大器的所述差動輸入耦合到所述第一電容核心和所述第二電容核心的所述第一公共節點和所述第二公共節點。
【文檔編號】G01P15/125GK103842829SQ201280048384
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年9月4日 優先權日:2011年9月1日
【發明者】G·巴拉錢德蘭, V·佩特科夫 申請人:羅伯特·博世有限公司