五電極微機械加速度計數字閉環控制電路及其接口電路以及五電極微機械加速度計系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于MEMS慣性器件領域，具體涉及一種五電極微機械加速度計數字閉環 控制電路及其接口電路以及五電極微機械加速度計系統。
【背景技術】
[0002] 微機械加速度計結合了MEMS工藝和1C工藝的技術優勢，具有體積小、功耗小、成 本低等特點，在民用和軍事應用中均具有巨大潛力，已成為各國研宄機構或公司的研宄熱 點。其中電容式微加速度計由于低功耗、高靈敏度、結構簡單、溫度敏感性低等優點而逐漸 成為微加速度計研宄的主流。
[0003] 加速度計可以工作在開環狀態或者閉環狀態。開環工作狀態下，加速度計的輸出 由動極板的位移和位移檢測電路決定，但動極板偏離平衡位置會使輸出存在非線性。閉環 工作狀態下，由輸出決定的反饋力被加載到加速度計敏感結構上，使動極板回到平衡位置， 加速度計克服位移引起的非線性影響。閉環工作的加速度計的輸出與需要保持動極板在平 衡位置的靜電力成正比，對敏感結構和電路的工藝偏差也更不敏感。
[0004] 現有技術中通常采用高階2-△微加速度計結構，實現了低噪聲數字輸出微機械 加速度計系統。但系統的輸出仍與動極板的位移直接相關，存在較大的非線性，對敏感結構 和電路的工藝偏差非常敏感。
【發明內容】
[0005] 綜上所述，確有必要提供一種可以使動極板保持在平衡位置且對敏感結構和電路 的工藝偏差不敏感的五電極微機械加速度計數字閉環控制電路及其接口電路，以及采用該 數字閉環控制電路的五電極微機械加速度計系統。
[0006] 一種五電極微機械加速度計數字閉環控制電路，其包括：
[0007] 電容讀出前端電路，用于檢測所述五電極微機械加速度計的檢測極板間差分電 容，并轉換為成比例的電壓信號；
[0008] 控制器，接收所述電容讀出前端電路輸出的電壓信號，并調節以改變所述五電極 微機械加速度計和數字閉環控制電路組成的系統的開環傳遞函數，保證該系統的穩定性和 動態性能，該控制器包括一積分器，該積分器用于使低頻區域輸入為零的所述電壓信號輸 出不為零；
[0009] 2-A調制器，用于將所述控制器輸出的信號轉換成位流信號，并提供數字輸出， 以及
[0010] 反饋電壓產生電路，包括檢測電路和反饋電路，所述檢測電路給所述五電極微機 械加速度計的檢測極板施加所述位流信號產生的載波，所述反饋電路根據所述位流信號產 生的反饋信號作用于所述五電極微機械加速度計的反饋極板以及動極板上并產生反饋靜 電力，使所述五電極微機械加速度計的動極板處于平衡位置。
[0011] -種五電極微機械加速度計接口電路，其包括時鐘產生電路、參考電壓產生電路、 偏置電流產生電路以及所述數字閉環控制電路，其中，所述時鐘產生電路為所述電容讀出 前端電路、控制器、2-A調制器以及反饋電壓產生電路提供時鐘信號，所述參考電壓產生 電路為所述電容讀出前端電路、控制器、2-△調制器以及反饋電壓產生電路提供參考電 壓，所述偏置電流產生電路為所述電容讀出前端電路、控制器以及2-△調制器提供偏置 電流。
[0012] 一種五電極微機械加速度計系統，包括五電極微機械加速度計以及所述五電極微 機械加速度計接口電路。
[0013] 相對于現有技術，本發明通過使用包含積分器的控制器來實現所述五電極微機械 加速度計數字閉環控制電路，采用該控制器可以使在低頻區域所述電容讀出前端電路輸出 的電壓信號為零時，該數字閉環控制電路的輸出信號仍然不為零，即可以很好地控制所述 五電極微機械加速度計的動極板即使在有加速度信號輸入的情況下仍然能保持在平衡位 置，從而克服了動極板位移造成的非線性。此外，該數字閉環控制電路對加速度計的敏感結 構和電路的工藝偏差不敏感，從而有效地提高了所述五電極微機械加速度計系統的穩定性 和動態性能，且適于大批量生產。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明實施例提供的五電極微機械加速度計系統的功能框圖。
[0015] 圖2是本發明實施例提供的五電極微機械加速度計的結構示意圖。
[0016] 圖3是本發明實施例提供的五電極微機械加速度計接口電路的功能框圖。
[0017] 圖4是本發明實施例提供的五電極微機械加速度計數字閉環控制電路的功能框 圖。
[0018] 圖5是本發明實施例提供的五電極微機械加速度計系統的功能模塊連接框圖。
[0019] 圖6是本發明實施例提供的五電極微機械加速度計數字閉環電路中電容讀出前 端電路的原理圖。
[0020] 圖7是本發明實施例提供的五電極微機械加速度計數字閉環電路中采用全差分 開關電容積分器作為控制器的電路原理圖。
[0021] 圖8是本發明實施例提供的五電極微機械加速度計數字閉環電路工作所述的主 時鐘、第一時鐘相、第二時鐘相以及控制器中斬波電路不交迭時鐘的時序圖。
[0022] 圖9是本發明實施例提供的五電極微機械加速度計數字閉環電路中采用單端控 制器作為控制器的電路原理圖。
[0023]圖10是本發明實施例提供的五電極微機械加速度計數字閉環電路中單端轉差分 電路的電路原理圖。
[0024] 圖11是本發明實施例提供的五電極微機械加速度計數字閉環電路中2-A調制 器的功能模塊連接框圖。
[0025] 圖12是本發明實施例提供的五電極微機械加速度計數字閉環電路的工作時序 圖。
[0026]圖13是本發明實施例提供的五電極微機械加速度計系統的開環傳遞函數波特 圖。
[0027] 主要元件符號說明
[0028] 五電極微機械加速度計系統 100
[0029] 五電極微機械加速度計 10
[0030] 敏感質量塊、動極板 12
[0031]梁 14
[0032] 檢測上極板 15
[0033] 檢測下極板 16
[0034] 反饋上極板 17
[0035] 反饋下極板 18
[0036] 接口電路 20
[0037] 數字閉環控制電路 30
[0038] 電容讀出前端電路 32
[0039] 控制器 34
[0040] 帶斬波電路的全差分開關電容積分器 34a，34b
[0041]斬波電路 342,342'
[0042] 2-A調制器 36
[0043] 第一級積分器 362
[0044] 第二級積分器 364
[0045] 第三級積分器 366
[0046] 量化器 368
[0047] 電壓反饋產生電路 38
[0048] 檢測電路 382
[0049] 反饋電路 384
[0050] 時鐘產生電路 40
[0051] 參考電壓產生電路 42
[0052] 偏置電流產生電路 44
[0053] 如下具體實施例將結合上述附圖進一步說明本發明。
【具體實施方式】
[0054] 以下將結合附圖詳細說明本發明提供的五電極微機械加速度計數字閉環控制電 路及其接口電路以及五電極微機械加速度計系統。
[0055] 請參閱圖1，本發明實施例首先提供一種五電極微機械加速度計系統100,該五電 極微機械加速度計系統100包括五電極微機械加速度計10以及與該五電極微機械加速度 計10連接的接口電路20,該接口電路20可獲取輸入到所述五電極微機械加速度計10的加 速度信息，并產生載波和反饋信號加載到五電極微機械加速度計10。
[0056] 請參閱圖2,所述五電極微機械加速度計10為一電容式加速度計，其包括敏感質 量塊12、梁14、檢測上極板15、檢測下極板16、反饋上極板17以及反饋下極板18。所述五 電極微機械加速度計10包括兩根所述梁14連接在所述敏感質量塊12沿敏感方向上的兩 端。當外界輸入加速度時，所述敏感質量塊12會沿所述敏感方向運動，該敏感質量塊12可 引出電極作為該五電極微機械加速度計10的動極板（中間極板）。所述檢測上極板15、檢 測下極板16、反饋上極板17以及反饋下極板18為定極板。本發明實施例中為簡化說明，采 用標號12同時表示所述動極板。所述動極板12在所述外界輸入加速度的作用下，相對于 固定不動的檢測上極板15、檢測下極板16、反饋上極板17以及反饋下極板18會產生位移， 從而所述定極板與動極板之間的差分電容會發生變化，進而來檢測外界輸入的加速度的大 小。電容式的五電極加速度計均適用于本發明。本發明實施例中，所述五電極微機械加速 度計10為梳齒電容式加速度計。該梳齒電容式加速度計的所述敏感質量塊12沿敏感方向 的兩邊設置有多對動梳齒，可隨所述敏感質量塊運動。所述檢測上極板15、檢測下極板16、 反饋上極板17以及反饋下極板18也均沿敏感方向可設置一對或多對定梳齒。
[0057] 請參閱圖3，所述接口電路20包括數字閉環控制電路30、時鐘產生電路40、參考電 壓產生電路42以及偏置電流產生電路44。所述接口電路20通過所述數字閉環控制電路 30連接于所述五電極微機械加速度計10，所述時鐘產生電路40、參考電壓產生電路42以及 偏置電流產生電路44分別為所述數字閉環控制電路30工作提供所需的時鐘信號、參考電 壓以及偏置電流。
[0058] 請一并參閱圖3-5,所述數字閉環控制電路30包括依次連接的電容前端讀出電路 32、控制器34、2-A調制器調制器36以及反饋電壓產生電路38。
[0059] 所述五電極微機械加速度計10的檢測極板與動極板間產生的差分電容輸入到所 述電容讀出前端電路32中，并被該電容讀出前端電路32轉化為與該