CN101680910B - 具有模拟复位的电容式微机械传感器的工作方法和电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于使电容式微机械传感器工作的工作方法，该微机械传感器具有至少一个由两个固定电极(E1，E2)以及可移动中心电极(EO)构成的差动电容器，并且测量中心电极(EO)的偏转量。本发明对与静电恢复力相对应的、作用于中心电极上的力的比例进行补偿。在该传感器的闭环工作期间，所述选择信号影响复位串扰信号，以使得作为结果的电容恢复力以补偿的方式与所述中心电极的偏转量相抵消。提供了两种用于优化控制的本发明的实施例和方法。

Description

具有模拟复位的电容式微机械传感器的工作方法和电路结构

技术领域

本发明涉及具有至少一个差动电容器的电容式微机械传感器的工作方法，该差动电容器包括两个固定电极和可移动中心电极，并且对固定电极和中心电极施加大小相等但极性相反的激励电压，其中，中心电极布置在两个固定电极之间且以弹性方式悬置，以及可通过外力使中心电极偏转并测量偏转量。本发明还涉及用于使上述微机械传感器工作的电路结构。 

术语微机械传感器(也称作MEMS传感器)表示微机械加速器、微机械转率(rate of rotation)传感器和具有梳状驱动器(comb drive)的微机械传感器。 

微机械传感器的基本变形体包括差动电容器，差动电容器的中心电极以弹性方式悬置并因而通过偏转量(deflection)来反映作用于其上的力。利用原理上已知的相应的电路测量手段来测量该偏转量。在复位***(闭环结构)的情况下，将测量值提供给控制器，该控制器改变作用在差动电容器的板上的静电力，从而使得外部加速力(acceleration force)得到补偿。将该操作称为复位。如果中心电极的偏转量变为“0”，则该复位是理想的。 

本发明旨在大大改善MEMS传感器的精确度。 

本发明首先基于如下知识：各自对差动电容器的中心电极的偏转量产生作用的力由(外部)加速力和(内部)静电力(恢复力)构成。 

基于该知识，在开始提及的一般类型的电容式微机械传感器的工作方法中，本发明一方面涉及对被称作“复位串扰(resetcrosstalk)”的如下分量进行补偿，该分量与静电恢复力相对应并且被叠加在读出信号(测量值)上。 

基于用于使实质上由至少一个差动电容器构成的微机械传感器工作的结构，其中，差动电容器具有两个固定电极和中心电极，中心电极以弹性方式可动地悬置于两个固定电极之间并能够因外力而偏转，该结构具有用于向两个固定电极施加各自的极性相反的激励电压的部件以及用于以测量值的形式输出中心电极在力发生作用时的偏转量的部件，本发明另一方面的特征在于用于对该测量值(读出信号)的畸变(distortion)进行补偿的装置，其中该畸变被称作“复位串扰”。 

在上述工作方法的一个优选实施例中，将与复位串扰相对应的信号与来自电容式微机械传感器的基本结构的输出信号相加，并且以读出信号的形式提供相加的结果，其中，读出信号表示中心电极的偏转量。在优选的传感器闭环操作期间，该读出信号还经由控制器影响复位串扰信号，使得恢复力的结果电容量以补偿的方式抵消中心电极的偏转量。 

为了防止来自传感器结构的读出信号漂移，根据确定地或随机地极性反转方法来使施加至固定电极的激励电压的极性连续地反转是有利的。 

根据本发明，用于使开始提及的一般类型的微机械传感器工作的创造性电路结构的特征在于用于对测量值的畸变进行补偿的装置，其中该畸变被称作复位串扰。例如，在输出来自的传感器的测量值的情况下，尤其是在以电压值的形式输出来自传感器的测量值的情况下，提供将与复位串扰相对应的复位电压值与由传感器的基本结构所提供的输出电压值相加的总和是 有利的。在这种情况中，可以设置控制器，将已不受复位串扰影响的读出信号施加到该控制器的输入，并且该控制器在中心电极偏转的情况下调节复位电压值，以使得因此所产生的电容恢复力与中心电极的偏转量相抵消。 

控制器可以是各自具有频率相关增益的比例控制器(proportional controller，P型控制器)或比例积分控制器(proportional-integral controller，PI型控制器)。由具有复反馈通道(complex feedback path)的运算放大器构成PI型控制器是有利的，该复反馈通道由非电抗性电阻器与电容器串联构成。如果如上所述进行了配置以通过确定地或随机地使差动电容器的固定电极的激励电压的极性反转来防止读出信号的漂移，则PI型控制器的复反馈阻抗中的电容的极性也能够以相应的方式反转。 

附图说明

下面将特别使用多个示例性实施例来更详细地说明本发明。在附图中： 

图1示出具有差动电容器的电容式MEMS传感器的第一基本电路，其中，基准电容器C可由根据图1a并联连接的两个可变电容构成； 

图2示出用于使具有差动电容器的MEMS传感器工作的、根据图1的基本电路的变形例； 

图3示出用于说明根据本发明对所谓的复位串扰进行补偿的基本框图； 

图4示出用于对复位串扰进行补偿的第一实施例变形例，当根据图3实现其结构时使用图1中的基本电路来例示； 

图5示出通过使用根据图2的基本传感器电路对根据图3的 复位串扰进行补偿的一个可能的实现； 

图6示出作为可用于闭环工作的(图3中使用虚线示出的)传感器的实施例的变形例的反转控制器的基本电路例子； 

图7示出非反转控制器的基本电路原理； 

图8示出当在MEMS传感器的闭环结构中使用PI型控制器时，反馈通道中的可能的优选阻抗； 

图9示出与图8相对应的PI型控制器的阻抗，但是该PI型控制器的电容器的极性可以在确定地或随机地使差动电容器两端的激励电压的极性反转时反转； 

图10示出在具有根据本发明的特征的MEMS传感器的闭环结构中的控制和补偿的结合的第一示例性实施例； 

图11示出第二电路结构的变形例，其与根据图10的电路中的控制和补偿的结合相对应但使用根据图2的基本电路；以及 

图12示出用于使具有PI型控制器的MEMS传感器复位以及确定地/随机地使激励电压和PI型控制器的复反馈阻抗中的电容器的极性反转的完整电路结构。 

在所有附图中，使用相同的附图标记来标识彼此相对应的组件或功能彼此相对应的部分。 

具体实施方式

图1和图2用于表示两种基本电路，该两种基本电路具有读出MEMS传感器的可移动中心电极E0的偏转量x的功能，并且允许向可移动中心电极E0施加预定的恢复力。下面示出完整闭环控制回路的概念。 

图1示出具有密封封装的差动电容器(参考图12)的电容式MEMS传感器的第一基本电路。由固定电极E1、E2与弹性悬置的中心电极E0之间的电容C₁和C₂构成的差动电容器依赖于弹 性悬置的中心电极E0的偏转量x，通过下式表示线性化的相关性： 

$C_1=\frac{C_0}{2}(1+\frac{x}{x_0})---\left(1a\right)$

$C_2=\frac{C_0}{2}(1-\frac{x}{x_0})---\left(1b\right)$

在固定电极E1与运算放大器OP1的输出之间以及固定电极E2与运算放大器OP1的输出之间施加大小相等但极性相反的激励电压U₀，其中，运算放大器OP1的输入与中心电极E0连接。运算放大器OP1的输出提供输出电压值U_a。还经由基准电容器C向中心电极E0施加电压U_i，电压U_i的意义将在后面进一步说明。为了实现独立于中心电极E0的偏转量、温度和老化的电桥平衡，通过并联连接两个可变电容C_a1(x)和C_a2(x)(参考图1a)来构成基准电容器C是特别有利的，电容值基于偏转量x而改变。 

C(X)＝C_a1(X)+C_a2(X)                           (2) 

如果选择了C_a1(x)～C₁(x)和C_a2(x)～C₂(x)，则适用下式不管偏转量如何： 

该方法适用于具有复位串扰的所有MEMS传感器，甚至适用于微机械科式陀螺仪(Coriolis gyroscopes)。 

下面研究具有差动电容器的MEMS传感器的第一基本电路的读出函数以及复位函数。 

参考图1，差动电容器中的电荷Q₁和Q₂适用下面的等式： 

Q₁＝C₁(U_a+U₀)                                (3) 

Q₂＝C₂(U_a-U₀)                                (4) 

对于基准电容器C 

Q＝CU_i       (5) 

公共电路结点，即中心电极E0是虚地。当初始电荷消失时，理想运算放大器OP1符合基尔霍夫定律： 

Q+Q₁+Q₂＝0                   (6) 

由等式(3)～(6)得出： 

C₁(U_a+U₀)+C₂(U_a-U₀)＝-CU_i    (7) 

或者由等式(1a)、(1b)和(2)得出： 

$\frac{C_0}{2}(1+\frac{x}{x_0})(U_a+U_0)+\frac{C_0}{2}(1-\frac{x}{x_0})(U_a-U_0)=-{\mathrm{CU}}_i---\left(8\right)$

$(1+\frac{x}{x_0})(U_a+U_0)+(1-\frac{x}{x_0})(U_a-U_0)=U_i\frac{2C}{C_0}---\left(9\right)$

$U_a+\frac{x}{x_0}{U}_0=-U_i\frac{C}{C_0}---\left(10\right)$

$U_a=-\frac{x}{x_0}{U}_0-U_i\frac{C}{C_0}---\left(11\right)$

在等式(1a)、(1b)～(11)中，x₀表示在差动电容器的静止状态下偏转量x的基准点，C₀表示在差动电容器的静止位置(x＝0)处两个部分电容C₁与C₂的和。如等式(11)所揭示，基本传感器结构的输出电压U_a由两部分构成。第一部分是取决于偏转量x的读出函数。第二部分取决于U_i，其中如在下面部分所示，U_i表示内部静电力(恢复力)的测量并且用于复位传感器。在此处及下面的说明中，(不被期望的)该第二部分被称为复位串扰。 

下面更详细地说明复位函数： 

对于差动电容器两端的电压，下式适用于电容器元件C₁： 

U₁＝U_a+U₀          (12) 

并且下式适用于电容器元件C₂： 

U₂＝U_a-U₀    (13) 

作用于差动电容器的可移动电极E0上的静电力的整体结果如下： 

$F=\frac{{U_1}^2}{2}\frac{{\mathrm{dc}}_1}{\mathrm{dx}}+\frac{{U_2}^2}{2}\frac{{\mathrm{dc}}_2}{\mathrm{dx}}---\left(14\right)$

$=({U_1}^2-{U_2}^2)\frac{1}{4}\frac{C_0}{x_0}---\left(15\right)$

$=(U_1-U_2)(U_1+U_2)\frac{1}{4}\frac{C_0}{x_0}---\left(16\right)$

$F=U_0{U}_a\frac{C_0}{x_0}---\left(17\right)$

$F=-U_0{U}_i\frac{C}{x_0}-U_0^2\frac{x{C}_0}{x_0^2}---\left(18\right)$

该静电力F由取决于内部静电力Ui的部分和取决于偏转量x的(不期望的)部分构成，其中偏转量x与外部加速力相对应且通过负弹性常量而确定。 

图2示出用于使具有差动电容器的MEMS传感器工作的第二基本电路变形例。此时，基准电容器C与运算放大器OP1并联而作为直接反馈通道。算术分析揭示与根据图1的基本电路相比，电压U_i和U_a具有本质上已改变了的函数。 

下式适用于读出函数： 

$U_a=-\frac{x}{x_0}{U}_0\frac{C_0}{C}-U_i\frac{C_0}{C}---\left(19\right)$

在这种情况下，类似地，基本传感器结构的读出电压U_a的第一项表示取决于偏转量x的读出函数，而第二项表示复位串扰。 

下式适用于与内部静电力相关的部分的复位函数(与等式(17)类似)： 

$F=U_0{U}_i\frac{C_0}{x_0}---\left(20\right)$

下面更详细地说明根据本发明对复位串扰的补偿。 

由等式(11)和(19)显然看出，根据图1和图2的两个电路变形例在它们的输出端提供读出电压U_a，读出电压U_a除由偏转量x所确定的分量外还包含被称作复位串扰且取决于U_i的分量。如果要使MEMS传感器在闭环工作时满意地工作，则必需对该串扰进行补偿。在不限制一般性的情况下，C＝C₀。从而，根据等式(11)和(19)，这两种情况下均得出下式： 

$U_a=-\frac{x}{x_0}{U}_0-U_i---\left(21\right)$

对于具有根据图1或图2输入变量为偏转量x和激励电压U0的基本传感器电路B的图3的基本框图，如果在求和点S将复位电压U_i与来自基本传感器电路的输出信号Ua相加，则获得已不受U_i影响且大小为 的读出信号。如果此时读出信号 

还提供至控制器CR，则如图3的用虚线表示的增加部分所示达成闭环工作的原理。 

图4和5中的电路例子分别示出在根据图1的电路和根据图2的电路中如何能够对复位串扰进行补偿。不再对已经利用图1和图2说明了的组件和功能进行说明。在求和点S加上复位电压U_i。利用去耦运算放大器OP2在输出点A获得带有校正的(correct)数学符号的读出信号 $U_x=\frac{x}{x_0}{U}_0.$

在闭环工作期间，控制器必需以校正方向起作用，也就是说，当出现偏转量x时，必需调节Ui以使得作为结果的恢复力与 偏转量相抵消。这特别意味着根据图4的电路需要非反转控制器，而根据图5的电路需要反转控制器。 

如果使用相同的技术实现基准电容器C、由部分电容C₁和C₂构成的差动电容器C₀以及各电阻R_a、R_b，在随着时间变化以及温度波动时，可以较好地符合平衡条件C/C₀＝R_a/R_b。 

下面说明在闭环工作期间控制器的一种实现： 

控制器必需确保所出现的偏转量x被抵消。该控制器实质上包括具有可能依赖于频率的增益α的放大器。那么，例如，控制器可以为具有不依赖于频率的增益α的比例控制器(P型控制器)的形式，或者为同样具有依赖于频率的增益(α＝β+1/jωγ)的比例积分控制器(PI型控制器)的形式。此外，该控制器必需提供校正的数学符号的增益。也就是说，需要区分反转控制器(图6)和非反转控制器(图7)。由式(22)求出运算放大器OP2的增益， 

$\mathrm{\α}=\±\frac{\underset{\‾}{Z}}{R}---\left(22\right)$

其中负号(-)适用于图6的控制器，而正号(+)适用于根据图7的控制器。Z表示通常取决于频率的(复)阻抗。Z可用于设置控制器特性。对于比例控制器(根据图6)，对Z使用非电抗性电阻，而对于比例积分控制器应当特别提供包括非电抗性电阻R_r和电容器C_r的串联电路(参考图8)。 

应当提及的是，在图的左边的运算放大器OP1的偏置电流可能会导致零点漂移。根据本发明的其它优点，可以通过例如以规定间隔使激励电压U₀的极性反转以及通过从运算放大器OP 1的输出引至运算放大器OP 1的负输入端的极大电阻R_∞来克服零点漂移。如上所述，U₀的数学符号包括在读出因素和力的数学符号两者中，结果，控制器的数学符号保持不变。可周期性地使U₀的极性反转，也可根据随机或伪随机函数来使U₀的极 性反转。然后，确定运算放大器OP1的偏置电流。 

在由于上述原因根据特定函数来使U₀的极性反转的情况下，也需要根据相同的函数来使PI型控制器的阻抗的电容器C_r的极性反转，结果获得根据图9的电路。 

下面针对本发明的具显著优点的实施例，说明对复位串扰的补偿与在MEMS传感器的闭环工作时的控制的结合。 

可以使复位串扰的补偿函数和控制有益地结合。图10示出针对根据图1的第一电路变形例在这种情况获得的电路结构。在这种情况下，电阻 

$R_{\mathrm{\&alpha;}}=\frac{R}{1+1/\mathrm{\&alpha;}}<R---\left(23\right)$

用来设置控制器的增益α；对于R_α＝R，α变得无穷大。应注意，所述关系仅适用于C＝C₀。如果不满足该条件，则R_α需相应变化。 

对于根据图2的第二基本电路，以极相似的方式获得图11中的电路结构。在这种情况下，使用式(24)设置控制器的增益α，对于R_α＝R，α变得无穷大。 

$R_{\mathrm{\&alpha;}}=\frac{R}{1-1/\mathrm{\&alpha;}}>R---\left(24\right);$

应当提及的是，对于根据图10和图11的两个电路，必需符合针对所使用的组件的容许公差应加以考虑的平衡条件。 

图12示出作为具有根据本发明特征的复位闭环MEMS传感器的示例性实施例的完整电路。该示例性实施例基于根据图1的基本电路的第一变形例，并且具有根据图9的具有复反馈阻抗的PI型控制器。由于上述原因，通过按周期性或根据伪随机函数控制的极性反转器RS而提供的激励电压U₀，在此不是通过零电位电压源引入的，而是经由分开的求和放大器SV1和SV2引入的。求和放大器SV1和SV2位于控制回路中，并且对于后者具有增益“2”。通过在电路的另一点处的标注测量(dimensioningmeasure)来对该附加增益加以考虑。极性反转器RS同时激活开关S1和S2，以使PI型控制器的阻抗Z的电容器C_r的极性反转。 

Claims (12)

1.一种电容式微机械传感器的工作方法，所述电容式微机械传感器具有至少一个由两个固定电极(E1，E2)和布置在所述固定电极之间的可移动中心电极(E0)构成的差动电容器，所述中心电极(E0)以弹性方式悬置并且能够因外力而偏转，在所述固定电极和所述中心电极之间施加大小相等但极性相反的激励电压(U₀)并且测量所述中心电极的偏转量，其特征在于，对与静电恢复力相对应且被称作复位串扰的、能够在所述中心电极处流出的电荷的比例进行如下补偿：

将与所述复位串扰(U_i)相对应的信号与来自所述电容式微机械传感器的基本结构的输出信号(U_a)相加，并且以读出信号的形式提供所述相加的结果，其中所述读出信号表示所述中心电极的偏转量。

2.根据权利要求1所述的电容式微机械传感器的工作方法，其特征在于，在所述电容式微机械传感器的闭环工作期间，所述读出信号还通过控制器(CR)影响复位串扰信号，以使得由此产生的电容恢复力以补偿的方式抵消所述中心电极的偏转。

3.根据权利要求1所述的电容式微机械传感器的工作方法，其特征在于，通过确定地使所述激励电压(±U₀)的极性反转来防止所述电容式微机械传感器的零点漂移。

4.根据权利要求1所述的电容式微机械传感器的工作方法，其特征在于，通过随机地使所述激励电压(±U₀)的极性反转来防止所述电容式微机械传感器的零点漂移。

5.根据权利要求2所述的电容式微机械传感器的工作方法，其特征在于，使用比例积分控制器来产生所述电容恢复力。

6.一种用于使微机械传感器工作的电路结构，所述微机械传感器具有至少一个由两个固定电极(E1，E2)和以弹性方式可移动地悬置于所述两个固定电极之间的中心电极(E0)构成的差动电容器，所述中心电极(E0)能够因外力而偏转，所述电路结构具有用于向所述两个固定电极分别施加极性相反的激励电压(±U₀)的部件以及用于以测量值的形式输出所述中心电极在有力作用时的偏转量的部件，其特征在于，所述电路结构还具有用于对所述中心电极处的静电恢复力进行补偿的补偿装置，其中所述静电恢复力被称作复位串扰；

以电压值的形式输出所述测量值，所述补偿装置通过对与所述复位串扰相对应的复位电压值(U_i)和由所述微机械传感器的基本结构所提供的输出电压值(U_a)求和来对所述中心电极处的静电恢复力进行补偿。

7.根据权利要求6所述的用于使微机械传感器工作的电路结构，其特征在于，所述电路结构还具有控制器，将已不受复位串扰影响的读出信号施加到所述控制器的输入端，并且所述控制器在所述中心电极偏转的情况下调节所述复位电压值，以使得因此所产生的电容恢复力抵消所述中心电极的偏转。

8.根据权利要求7所述的用于使微机械传感器工作的电路结构，其特征在于，所述电路结构还包括用于确定地或随机地控制所述激励电压(±U₀)的极性反转的极性反转装置(RS)。

9.根据权利要求8所述的用于使微机械传感器工作的电路结构，其特征在于，所述控制器是具有不依赖于频率的增益的比例控制器。

10.根据权利要求8所述的用于使微机械传感器工作的电路结构，其特征在于，所述控制器是具有依赖于频率的增益的比例积分控制器。

11.根据权利要求10所述的用于使微机械传感器工作的电路结构，其特征在于，所述比例积分控制器由具有复反馈通道的运算放大器(OP2)构成，且所述复反馈通道通过串联连接非电抗性电阻(R_r)和电容(C_r)构成。

12.根据权利要求8所述的用于使微机械传感器工作的电路结构，其特征在于，所述控制器是具有依赖于频率的放大器的比例积分控制器，所述比例积分控制器由具有包括非电抗性电阻(R_r)和电容(C_r)的串联电路的运算放大器构成，所述电容(C_r)的极性能够通过极性反转开关(S1，S2)被反转，所述极性反转开关能够通过用于所述激励电压(±U₀)的所述极性反转装置(RS)来激活。

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