CN103723673B - 微机电***及检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微机电***及检测电路，通过检测电路中的自测试电容阵列输出周期变化的电荷，由此当进行检测电路的自测试时，通过所述自测试电容阵列输出的周期变化的电荷即可进行，从而避免了需要检测电路驱动模块产生高压驱动信号使微机械传感器中的微机械自测试电容输出自测试需要的周期电荷信号，由此检测电路的自测试过程不再需要微机械传感器参与，简化了检测电路的自测试流程，并提高了自测试可靠性；同时，微机械传感器中也不再需要微机械自测试电容了，从而降低了微机械传感器设计复杂度以及检测电路驱动模块的设计难度。

Description

微机电***及检测电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种微机电***及检测电路。

背景技术

微机电***(MEMS)应用越来越多，其主要包括微机械传感器和检测电路，其中，微机械传感器需要检测电路来检测传感器的变化，并作相应的信号处理。很大一部分微机械传感器采用的是电容传感的方式，与之相对应的检测电路用来检测微机械传感电容的电容变化。在微机电***设计的初始阶段，需要判断微机械传感器和检测电路是否能正常工作。微机械传感器可以用专用的检测方法来测试，但是检测电路最好能有一种自测试的方法来判断自己的好坏；另外，在使用的过程中，如果整个微机电***有损坏，检测电路自带的自测试功能也可以判断微机电***是微机械传感器损坏还是检测电路损坏。

目前，较多的微机电***将检测电路的自测试功能所需要的电容采用微机械实现，在微机械传感器中制作，这样给微机械传感器微机械的设计带来了更高的复杂度；此外，驱动微机械自测试电容一般需要较高的电压，这给检测电路的驱动模块增加了难度；而且完成自测试需要微机械传感器的参与，这就需要微机械传感器没有损坏才能进行。

请参考图1，其为现有的微机电***的结构示意图。如图1所示，微机电***包括检测电路10和微机械传感器20，其中，微机械自测试电容21和微机械传感电容22做在一起，构成微机械传感器20；微机械自测试电容21和微机械传感电容22的做法一样。在自测试的时候，通过驱动模块11对微机械自测试电容21的极板加所需要的自测试高压驱动信号；然后通过检测电路10的信号读取和处理模块12读取电容的变化，该电容大小的变化最终在信号读取和处理模块12的输出端体现出来，正常情况下是一个不同于非测试状态下的电压值；最后通过该电压值判断检测电路10是否正常工作。

这样对检测电路10的自测试就必须建立在微机械传感器20能正常工作的条件下，如果微机械传感器20由于各种原因不能正常工作，则无法单独完成检测电路10的自测试功能；并且还需要额外提供检测电路10自测试时需要的高压驱动信号，而且驱动信号有时需要和微机械传感器20采样读取时钟同步，增加了电路的设计复杂度。

进一步的，请参考图2，其为现有的微机械传感器的微机械实现自测试的简要原理图。如图2所示，1S和2S是自测试高压驱动信号的电信号输入端，1I和2I是微机械传感器电荷输出端，这一对输出端和检测电路的信号读取和处理模块相连。在1S和2S自测试输入端加驱动信号(例如正弦电压信号)，正弦电压信号通过微机械自测试电容极板产生静电力F_E，静电力F_E推动微机械传感电容做正弦振动，从1I和2I输出正弦变化的电荷，通过检测微机械传感器的信号读取和处理模块将电荷转换成电压信号，并最后输出一个相应的电压值，完成自测试。

对于现有的检测电路很大的问题是无法单独完成自测试功能，需要倚靠微机械传感器，如此将造成自测试流程的不方便以及可靠性低；另外因为需要提供高压且同步的驱动信号这样又增加了检测电路驱动模块的设计难度；微机械传感器也因为要多设计一组梳齿状的微机械自测试电容，而提高了微机械传感器的设计复杂度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机电***及检测电路，以解决现有技术中，检测电路无法单独完成自测试功能，需要倚靠微机械传感器，如此将造成自测试流程的不方便以及可靠性低；另外因为需要提供高压且同步的驱动信号这样又增加了检测电路驱动模块的设计难度；微机械传感器也因为要多设计一组梳齿状的微机械自测试电容，而提高了微机械传感器的设计复杂度的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种微机电***，所述微机电***包括：微机械传感器以及与所述微机械传感器连接的检测电路；其中，

所述微机械传感器包括微机械传感电容；

所述检测电路包括：自测试电容阵列以及与所述自测试电容阵列连接的信号读取和处理模块；其中，

所述自测试电容阵列用以输出周期变化的电荷；

所述信号读取和处理模块包括：顺次连接的电荷放大器、解调器及低通滤波器；所述信号读取和处理模块用以根据所述自测试电容阵列输出的周期变化的电荷输出一电压信号，所述电压信号用以判断所述检测电路是否正常工作，完成自测试功能。

可选的，在所述的微机电***中，所述自测试电容阵列包括幅值电路和与所述幅值电路连接的周期实现电路；其中，

所述幅值电路用以产生只有正半周期变换的半周期变化电荷；

所述周期实现电路用以将只有正半周期变换的半周期变化电荷转换成正负半周期都有的周期变化电荷。

可选的，在所述的微机电***中，所述周期变化电荷包括正弦波周期变化电荷或者三角波周期变化电荷。

可选的，在所述的微机电***中，所述幅值电路包括第一电路组，所述第一电路组包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第一开关、一与所述电容相连的第二开关及与所述第二开关相连的共模电平Vcm，其中，所述第一开关的开启信号与所述第二开关的开启信号相反。

可选的，在所述的微机电***中，多组并联的电容组中的多个电容值呈正弦波或者三角波变化，通过不同的电容组中的电容在不同时刻被选中，从而产生只有正半周期变换的半正弦波周期变化电荷或者半三角波周期变化电荷。

可选的，在所述的微机电***中，所述幅值电路还包括与所述第一电路组串联的n+1个第一调节电路、n个第二调节电路及一第三调节电路，其中，所述n为自然数，所述第一调节电路包括并联的一电容及一受复位信号控制的开关，及与所述电容和开关连接的共模电平Vcm；所述第二调节电路包括一电容；所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平V_ref，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反。

可选的，在所述的微机电***中，所述幅值电路还包括与所述第一电路组串联的一第三调节电路及一第四调节电路，其中，所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平V_ref，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反；所述第四调节电路包括一受复位信号控制的开关及与所述开关连接的共模电平Vcm。

可选的，在所述的微机电***中，所述周期实现电路包括第一支路及与所述第一支路并联的第二支路，其中，

所述第一支路包括一第五开关及与所述第五开关相连的参考电平Vcom；

所述第二支路包括一第六开关及与所述第六开关相连的地电平GND；所述第六开关的开启信号与所述第五开关的开启信号相反。

可选的，在所述的微机电***中，所述第五开关的开启信号的形成电路包括：第一并联电路，所述第一并联电路包括并联的第一产生电路及第二产生电路，所述第一产生电路包括一受符号控制信号PH_Vsin控制的开关，所述受符号控制信号PH_Vsin控制的开关与一读取信号PH_RS连接；所述第二产生电路包括一受符号控制信号的反相信号控制的开关，所述受符号控制信号的反相信号控制的开关与一读取信号的反相信号连接；

所述第六开关的开启信号的形成电路包括：第二并联电路，所述第二并联电路包括并联的第三产生电路及第四产生电路，所述第三产生电路包括一受符号控制信号PH_Vsin控制的开关，所述受符号控制信号PH_Vsin控制的开关与一读取信号的反相信号连接；所述第四产生电路包括一受符号控制信号的反相信号控制的开关，所述受符号控制信号的反相信号控制的开关与一读取信号PH_RS连接。

可选的，在所述的微机电***中，所述第五开关的开启信号的形成电路还包括与所述第一并联电路相连的缓冲器；所述第六开关的开启信号的形成电路还包括与所述第二并联电路相连的缓冲器。

可选的，在所述的微机电***中，

在符号控制信号PH_Vsin为高电平期间，当电荷放大器处于复位状态时，b端接地，a端是虚地端，两端ba的电荷为0，当电荷放大器处于读取状态时，b端接Vcom，a端是虚地端，两端ba的电荷为Vcom*Cba，从而b和a两端之间的电荷Q_ba相比前一个复位状态的增加了Vcom*Cba；

在符号控制信号PH_Vsin为低电平期间，当电荷放大器处于复位状态时，b端接Vcom，a端是虚地端，两端ba的电荷为Vcom*Cba，当电荷放大器处于读取状态时，b端接GND，a端是虚地端，两端ba的电荷为0，从而b和a两端之间的电荷Q_ba相比前一个复位Reset状态的增加了-Vcom*Cba；

其中，Cba为两端ba的电容值。

可选的，在所述的微机电***中，自测试电容阵列的输出电荷为：

可选的，在所述的微机电***中，所述自测试电容阵列的数量为两个，且两个自测试电容阵列构成差分结构。

可选的，在所述的微机电***中，所述电荷放大器、解调器及低通滤波器均为差分结构。

本发明还提供一种检测电路，所述检测电路包括：自测试电容阵列以及与所述自测试电容阵列连接的信号读取和处理模块；其中，

所述自测试电容阵列用以输出周期变化的电荷；

所述信号读取和处理模块包括：顺次连接的电荷放大器、解调器及低通滤波器；所述信号读取和处理模块用以根据所述自测试电容阵列输出的周期变化的电荷输出一电压信号，所述电压信号用以判断所述检测电路是否正常工作，完成自测试功能。

可选的，在所述的检测电路中，所述自测试电容阵列包括幅值电路和与所述幅值电路连接的周期实现电路；其中，

所述幅值电路用以产生只有正半周期变换的半周期变化电荷；

所述周期实现电路用以将只有正半周期变换的半周期变化电荷转换成正负半周期都有的周期变化电荷。

可选的，在所述的检测电路中，所述周期变化电荷包括正弦波周期变化电荷或者三角波周期变化电荷。

可选的，在所述的检测电路中，所述幅值电路包括第一电路组，所述第一电路组包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第一开关、一与所述电容相连的第二开关及与所述第二开关相连的共模电平Vcm，其中，所述第一开关的开启信号与所述第二开关的开启信号相反。

可选的，在所述的检测电路中，多组并联的电容组中的多个电容值呈正弦波或者三角波变化，通过不同的电容组中的电容在不同时刻被选中，从而产生只有正半周期变换的半正弦波周期变化电荷或者半三角波周期变化电荷。

可选的，在所述的检测电路中，所述幅值电路还包括与所述第一电路组串联的n+1个第一调节电路、n个第二调节电路及一第三调节电路，其中，所述n为自然数，所述第一调节电路包括并联的一电容及一受复位信号控制的开关，及与所述电容和开关连接的共模电平Vcm；所述第二调节电路包括一电容；所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平V_ref，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反。

可选的，在所述的检测电路中，所述幅值电路还包括与所述第一电路组串联的一第三调节电路及一第四调节电路，其中，所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平V_ref，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反；所述第四调节电路包括一受复位信号控制的开关及与所述开关连接的共模电平Vcm。

可选的，在所述的检测电路中，所述周期实现电路包括第一支路及与所述第一支路并联的第二支路，其中，

所述第一支路包括一第五开关及与所述第五开关相连的参考电平Vcom；

所述第二支路包括一第六开关及与所述第六开关相连的地电平GND；所述第六开关的开启信号与所述第五开关的开启信号相反。

可选的，在所述的检测电路中，所述第五开关的开启信号的形成电路包括：第一并联电路，所述第一并联电路包括并联的第一产生电路及第二产生电路，所述第一产生电路包括一受符号控制信号PH_Vsin控制的开关，所述受符号控制信号PH_Vsin控制的开关与一读取信号PH_RS连接；所述第二产生电路包括一受符号控制信号的反相信号控制的开关，所述受符号控制信号的反相信号控制的开关与一读取信号的反相信号连接；

所述第六开关的开启信号的形成电路包括：第二并联电路，所述第二并联电路包括并联的第三产生电路及第四产生电路，所述第三产生电路包括一受符号控制信号PH_Vsin控制的开关，所述受符号控制信号PH_Vsin控制的开关与一读取信号的反相信号连接；所述第四产生电路包括一受符号控制信号的反相信号控制的开关，所述受符号控制信号的反相信号控制的开关与一读取信号PH_RS连接。

可选的，在所述的检测电路中，所述第五开关的开启信号的形成电路还包括与所述第一并联电路相连的缓冲器；所述第六开关的开启信号的形成电路还包括与所述第二并联电路相连的缓冲器。

可选的，在所述的检测电路中，

在符号控制信号PH_Vsin为高电平期间，当电荷放大器处于复位状态时，b端接地，a端是虚地端，两端ba的电荷为0，当电荷放大器处于读取状态时，b端接Vcom，a端是虚地端，两端ba的电荷为Vcom*Cba，从而b和a两端之间的电荷Q_ba相比前一个复位状态的增加了Vcom*Cba；

在符号控制信号PH_Vsin为低电平期间，当电荷放大器处于复位状态时，b端接Vcom，a端是虚地端，两端ba的电荷为Vcom*Cba，当电荷放大器处于读取状态时，b端接GND，a端是虚地端，两端ba的电荷为0，从而b和a两端之间的电荷Q_ba相比前一个复位Reset状态的增加了-Vcom*Cba；

其中，Cba为两端ba的电容值。

可选的，在所述的检测电路中，自测试电容阵列的输出电荷为：

可选的，在所述的检测电路中，所述自测试电容阵列的数量为两个，且两个自测试电容阵列构成差分结构。

可选的，在所述的检测电路中，所述电荷放大器、解调器及低通滤波器均为差分结构。

在本发明提供的微机电***及检测电路中，通过检测电路中的自测试电容阵列输出周期变化的电荷，由此当进行检测电路的自测试时，通过所述自测试电容阵列输出的周期变化的电荷即可进行，从而避免了需要检测电路驱动模块产生高压驱动信号使微机械传感器中的微机械自测试电容输出自测试需要的周期电荷信号，由此检测电路的自测试过程不再需要微机械传感器参与，简化了检测电路的自测试流程，并提高了自测试可靠性；同时，微机械传感器中也不再需要微机械自测试电容了，从而降低了微机械传感器设计复杂度以及检测电路驱动模块的设计难度。

附图说明

图1是现有的微机电***的结构示意图；

图2是现有的微机械传感器的微机械实现自测试的简要原理图；

图3是本发明实施例的微机电***的结构示意图；

图4是本发明实施例的一自测试电容阵列的电路图；

图5是本发明实施例的另一自测试电容阵列的部分电路图；

图6是本发明实施例的另一自测试电容阵列的部分电路图；

图7是本发明实施例的周期实现电路中第五开关的开启信号及第六开关的开启信号的产生电路图；

图8是本发明实施例的自测试电容阵列中的部分信号的时序图；

图9是本发明实施例的检测电路中的部分信号的时序图；

图10是本发明实施例的构成差分结构的两个自测试电容阵列的电路图；

图11是本发明实施例的构成差分结构的两个自测试电容阵列的输出信号的时序对比图；

图12是本发明实施例的包含差分结构的检测电路中的部分结构的示意图；

图13是本发明实施例的包含差分结构的检测电路中部分信号的多个周期的时序图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的微机电***及检测电路作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图3，其为本发明实施例的微机电***的结构示意图。如图3所示，所述微机电***包括：微机械传感器40以及与所述微机械传感器40连接的检测电路30；其中，

所述微机械传感器40包括微机械传感电容41；也就是说，在本实施例中，所述微机械传感器40可以不再设置微机械自测试电容；

所述检测电路30包括：自测试电容阵列31以及与所述自测试电容阵列31连接的信号读取和处理模块32；其中，

所述自测试电容阵列31用以输出周期变化的电荷；

所述信号读取和处理模块32包括：顺次连接的电荷放大器321、解调器322及低通滤波器323；所述信号读取和处理模块32用以根据所述自测试电容阵列31输出的周期变化的电荷输出一电压信号，所述电压信号用以判断所述检测电路是否正常工作，完成自测试功能。

其中，所述周期变化电荷包括正弦波周期变化电荷或者三角波周期变化电荷。在本申请实施例中，以正弦波周期变化电荷为例。三角波周期变化电荷通过对电容值做出改变即可实现，本申请实施例对此不再赘述。

在本发明提供的微机电***中，通过检测电路30中的自测试电容阵列31输出周期变化的电荷，由此当进行检测电路30的自测试时，通过所述自测试电容阵列31输出的周期变化的电荷即可进行，从而避免了需要检测电路30驱动模块产生高压驱动信号使微机械传感器中的微机械自测试电容输出自测试需要的周期电荷信号，由此检测电路30的自测试过程不再需要微机械传感器40参与，简化了检测电路30的自测试流程，并提高了自测试可靠性；同时，微机械传感器40中也不再需要微机械自测试电容了，从而降低了微机械传感器40设计复杂度以及检测电路30驱动模块的设计难度。

在本实施例中，所述自测试电容阵列31可以通过集成电路基本工艺中的电容实现，也就是说，相对于现有技术中，需要通过微机械工艺形成微机械自测试电容而言，通过本实施例提供的微机电***简化了自测试时所需的电容。

在本实施例提供的微机电***中，微机械传感器40的变化主要在于可以不再设置微机械自测试电容，从而简化了微机械传感器40的结构；而检测电路30的结构将发生极大的改变，因此在本实施例接下去的描述中，将重点介绍检测电路30。

在本实施例中，所述检测电路30还包括其他一些模块，具体包括驱动模块33、时序产生电路34及BIAS(偏置电路)35以及数字处理模块36，所述驱动模块33、时序产生电路34、BIAS35以及数字处理模块36均利用了现有技术中的结构，其在所述检测电路30中所起的作用也基本相同。例如，所述时序产生电路34仍将产生符号控制信号PH_Vsin以及读取信号PH_RS、复位信号Reset等，但是其也将产生本实施例中自测试电容阵列31所需的一些控制信号，具体为控制信号B₀～B_n-1等；所述BIAS(偏置电路)35主要产生参考电平Vcom及共模电平Vcm；所述数字处理模块36将产生控制信号D₀～D_k-1等。

在本实施例中，所述电荷放大器321对所述自测试电容阵列31所输出的周期变化的电荷进行读取，读取的过程受控于所述时序产生电路34产生的读取信号PH_RS，当读取信号PH_RS为低电平时，所述电荷放大器321处于复位Reset状态；当读取信号PH_RS为高电平时，所述电荷放大器321处于读取状态。

请参考图4，其为本发明实施例的一自测试电容阵列的电路图。具体的，所述自测试电容阵列31可由图4所示的一电路予以实现。在本实施例中，所述自测试电容阵列31包括幅值电路311a、与所述幅值电路311a连接的周期实现电路312；其中，所述幅值电路311a用以产生只有正半周期变换的半周期变化电荷；所述周期实现电路312用来将所述幅值电路311a产生的只有正半周期的半周期变化电荷转换成正负半周期都有的周期变化的电荷。

其中，所述幅值电路可通过多种电路予以实现，本实施例中示意性的示出了三个幅值电路。

首先，请继续参考图4，具体的，所述幅值电路311a第一电路组，所述第一电路组包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第一开关、一与所述电容相连的第二开关及与所述第二开关相连的共模电平Vcm，其中，所述第一开关的开启信号与所述第二开关的开启信号相反。例如，第一行电容组包括电容C_t0(为了表示的清楚与方便，符号C_t0也表示相应电容的电容值，下同)、与所述电容C_t0相连的第一开关B₀(为了表示的清楚与方便，符号B₀也表示控制相应开关的控制信号，下同)、与所述电容C_t0相连的第二开关及与所述第二开关相连的共模电平Vcm，其中，所述第一开关B₀的开启信号B₀与所述第二开关的开启信号相反。在此，所述电容C_t0通过第二开关与共模电平Vcm相连，其目的在于，当所述电容C_t0未被选中时，使该电容不会悬空，从而保持其稳定。在自测试电容阵列的电路设计的时候，将电容C_t0～C_t(n-1)的电容值C_t0～C_t(n-1)按照周期函数的变化来设计，例如图8中Ct0～Ct(n-1)所示，Ct0～Ct(n-1)就是按正弦周期函数来设计的。

为了表述方便，在本申请中，电容的表示与其相应的电容值的表示相同，开关的表示与其相应的控制信号的表示相同。

请参考图8，其为本发明实施例的自测试电容阵列中的部分信号的时序图。如图8所示，通过开关B₀～B_n-1不同的开启时序(其中，B₀～B_n-1高电平表示对应的开关闭合，处于同一电容组中的电容被选中)，电容C_t0～C_t(n-1)在不同时刻被选中，因为电容C_t0～C_t(n-1)的电容值C_t0～C_t(n-1)是按周期函数变化来设计的，从而拟合自测试电容阵列311两端的(总)电容形成了周期变化的电容，但是只有正半周期，如图8中C_t0～C_t(n-1)波形所示。

请继续参考图4，在本实施例中，所述幅值电路311a还包括包括与所述第一电路组连接的两个第一调节电路、一第二调节电路及一第三调节电路，其中，所述第一调节电路包括并联的一电容(在两个第一调节电路中，分别为C₁、C₃)及一受复位信号Reset(即电荷放大器321的状态信号)控制的开关，及与所述电容和开关连接的共模电平Vcm；所述第二调节电路包括一电容C₂；所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平V_ref，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反，多组并联的电容组中电容的电容值呈二进制变化。例如，在所述第三调节电路中，第一行电容组包括电容C₀、与所述电容C₀相连的第三开关D₀、与所述电容C₀相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平V_ref，其中，所述第三开关D₀的开启信号D₀与所述四开关的开启信号相反。同样的，在此所述电容C₀通过第三开关与参考电平V_ref相连，其目的在于，当所述电容C₀未被选中时，使该电容不至于悬空，从而保持其稳定。在此，电容C₀～2^k-1C₀呈二进制变化，即前后两行中的电容的电容值相差2的指数倍，二进制的设计能更方便控制调节幅值大小。

在此，假设幅值电路311a所输出的等效电容大小用Csin表示，则b端和a端之间的电容大小(即自测试电容阵列31所输出的电容大小)可以表示如下：

$C_{ba}\≈\frac{D_0{C}_0+D_{1}2C_0+D_2{2}^2{C}_0+...+D_p{2}^p{C}_0+...+D_{k-1}{2}^{k-1}{C}_0}{(C_0+2C_0+2^2{C}_0+...+2^p{C}_0+...+2^{k-1}{C}_0)+C_3}\·\frac{C_2}{C_1+C_2}\·C_{sin}$

再假设Csin的周期幅值大小系数Ksin，则Ksin可以表示如下：

$K_{sin}\≈\frac{D_0{C}_0+D_{1}2C_0+D_2{2}^2{C}_0+...+D_p{2}^p{C}_0+...+D_{k-1}{2}^{k-1}{C}_0}{(C_0+2C_0+2^2{C}_0+...+2^p{C}_0+...+2^{k-1}{C}_0)+C_3}\·\frac{C_2}{C_1+C_2}$

C_ba的电容可以简化表示如下：

C_ba＝K_sin·C_sin

图4中示出了一个幅值电路，接着，请参考图5，图5示出了另一个幅值电路。如图5所示，幅值电路311b包括第一电路组及与所述第一电路组串联的n+1个第一调节电路、n个第二调节电路及一第三调节电路，其中，所述n为自然数，所述第一调节电路包括并联的一电容及一受复位信号控制的开关，及与所述电容和开关连接的共模电平Vcm；所述第二调节电路包括一电容；所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平V_ref，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反。

在此，图4也所示的幅值电路311a可以认为图5所示的幅值电路311b的一种特殊情况，即n等于1的情况。

请参考图6，其示出了第三个幅值电路311c，所述幅值电路311c包括第一电路组及与所述第一电路组串联的一第三调节电路及一第四调节电路，其中，所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平V_ref，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反；所述第四调节电路包括一受复位Reset信号控制的开关及与所述开关连接的共模电平Vcm。其中，第三调节电路与图4所示的第三调节电路相同，本申请实施例对此不再赘述。

请继续参考图4，所述周期实现电路312包括第一支路及与所述第一支路并联的第二支路，其中，所述第一支路包括第五开关PH_Vcm及与所述第五开关PH_Vcm相连的参考电平Vcom；所述第二支路包括第六开关PH_Gnd及与所述第六开关PH_Gnd相连的地电平GND；所述第六开关PH_Gnd的开启信号PH_Gnd与所述第五开关PH_Vcm的开启信号PH_Vcm相反。

进一步的，本实施例还示出了周期实现电路312中第五开关PH_Vcm的开启信号PH_Vcm及第六开关PH_Gnd的开启信号PH_Gnd的产生电路。具体的，请参考图7，其为本发明实施例的周期实现电路中第五开关的开启信号及第六开关的开启信号的产生电路图。

如图7所示，所述周期实现电路312中第五开关的开启信号PH_Vcm的形成电路包括：第一并联电路，所述第一并联电路包括并联的第一产生电路及第二产生电路，所述第一产生电路包括一受符号控制信号PH_Vsin控制的开关，所述受符号控制信号PH_Vsin控制的开关与一读取信号PH_RS连接；所述第二产生电路包括一受符号控制信号的反相信号控制的开关，所述受符号控制信号的反相信号控制的开关与一读取信号的反相信号连接；

所述周期实现电路312中第六开关的开启信号PH_Gnd的形成电路包括：第二并联电路，所述第二并联电路包括并联的第三产生电路及第四产生电路，所述第三产生电路包括一受符号控制信号PH_Vsin控制的开关，所述受符号控制信号PH_Vsin控制的开关与一读取信号的反相信号连接；所述第四产生电路包括一受符号控制信号的反相信号控制的开关，所述受符号控制信号的反相信号控制的开关与一读取信号PH_RS连接。

进一步的，所述周期实现电路312中第五开关的开启信号的形成电路还包括与所述第一并联电路相连的缓冲器；所述周期实现电路312中第六开关的开启信号的形成电路还包括与所述第二并联电路相连的缓冲器。通过所述缓冲器能够进一步增大的第五开关的开启信号PH_Vcm及第六开关的开启信号PH_Gnd的驱动能力和速度。

请参考图3及图4，所述周期实现电路312具体通过如下方式实现输出周期变化的电荷：图4中的a端与电荷放大器321中的运算放大器的输入端连接，相当于虚地端。根据图7和图9可知，在符号控制信号PH_Vsin电平反转时，第五开关的开启信号PH_Vcm及第六开关的开启信号PH_Gnd的时序高低电平发生反转。在符号控制信号PH_Vsin为高电平期间，当电荷放大器321处于复位Reset状态的时候(即读取信号PH_RS为低电平时)，b端接地(即第六开关闭合，b端与地端GND连接)，a端是虚地端，所以两端ba的电荷为0，当电荷放大器321处于读取状态的时候(即读取信号PH_RS为高电平时)，b端接Vcom(即第五开关闭合)，a端是虚地端，所以两端ba的电荷为Vcom*Cba，即b和a两端之间的的电荷Q_ba相比前一个复位Reset状态的增加了Vcom*Cba；同理在符号控制信号PH_Vsin为低电平期间，当电荷放大器321处于复位Reset状态的时候(即读取信号PH_RS为低电平时)，b端接Vcom，a端是虚地端，所以两端ba的电荷为Vcom*Cba，当电荷放大器321处于读取状态的时候(即读取信号PH_RS为高电平时)，b端接GND，a端是虚地端，两端ba的电荷为0，即b和a两端之间的电荷Q_ba相比前一个复位Reset状态的增加了-Vcom*Cba。在电荷放大器321处于读取状态(即读取信号PH_RS为高电平时)，自测试电容阵列31增加的电荷可以表示如下：

即：

即自测试电容阵列31输出周期变化的电荷。接着该周期变化的电荷将通过电荷放大器321转移到反馈电容Cfb上，最终在电荷放大器321上输出周期变化的电压信号V_{CA_OUT}。其中电荷放大器321上输出的周期变化的电压信号V_{CA_OUT}的时序图可参考图9；并且，图9还示出了电荷放大器321上输出的周期变化的电压信号V_{CA_OUT}经过解调器322时，解调器322的另外一个输入信号V_Demo的时序波形。

进一步的，所述自测试电容阵列31的数量可以为两个，两个自测试电容阵列31构成差分结构。此时，所述电荷放大器321、解调器322及低通滤波器323均为差分结构，由此所形成的电容传感器检测电路能够具有更好的抗干扰性。其中，构成差分结构的两个自测试电容阵列请参考图10。如图10所示，构成差分结构的两个自测试电容阵列的差别在于，相对于自测试电容阵列1，自测试电容阵列2中的第五开关的开启信号PH_Vcm及第六开关的开启信号PH_Gnd进行了互换。进一步的，构成差分结构的两个自测试电容阵列的输出信号请参考图11。如图11所示，构成差分结构的两个自测试电容阵列的输出信号(即周期变化的电荷)大小相等、相位相反。

具体的，请参考图12，其为本发明实施例的包含差分结构的检测电路中的部分结构的示意图。如图12所示，自测试电容阵列1和自测试电容阵列2共同产生差分的周期变化的电荷，差分的周期变化的电荷通过电荷放大器转变成差分的周期电压信号V_{CA_OUT}，电荷放大器的输出V_{CA_OUT}再经过解调器，在解调器中差分的周期电压信号V_{CA_OUT}与解调器的另一输入信号V_Demo(输入信号V_Demo是与差分的周期电压信号V_{CA_OUT}同相的周期信号)相乘，解调出电荷放大器的输出信号V_{CA_OUT}的周期包络信号的幅值，解调出来的信号V_{Demo_OUT}往往带有高频杂波，因此在此还通过低通滤波器滤除高频杂波，最终输出V_{LPF_OUT}。

其中，电荷放大器的输出信号V_{CA_OUT}可以表示为：

其中C_CA表示电荷放大器321的反馈电容大小，即C_CA＝C_fb；

在本实施例中，解调器和低通滤波器的增益都设置为1，由此，低通滤波器的输出信号V_{LPF_OUT}即为电荷放大器输出的并经过低通滤波的周期信号的幅值，周期电容Csin的幅值为C_t(n-1)，由此低通滤波器的输出信号V_{LPF_OUT}得到的信号大小可以表示为：

$V_{LPF\_OUT}=K_{sin}\·V_{com}\·\frac{C_{t(n-1)}}{C_{fb}}$

进一步的，请参考图13，其为本发明实施例的包含差分结构的检测电路中部分信号的多个周期的时序图。其中，C_ba表示自测试电容阵列(差分结构)的电容变化(自测试电容阵列1和自测试电容阵列2将只有正半周变化的电容变化转换成有正负半周的电荷变化)。具体的，周期变化的电荷经过电容放大器输出电压信号V_{CA_OUT}，V_{CA_OUT}的包络是周期信号，包络内部有复位时序；在解调器中V_{CA_OUT}和V_Demo相乘解调出V_{CA_OUT}的周期包络信号的幅值V_{Demo_OUT}，V_{Demo_OUT}具有高频毛刺；接着，再通过低通滤波器滤除V_{Demo_OUT}的高频毛刺，输出V_{LPF_OUT}，V_{LPF_OUT}是一个平滑的电平信号。

当进行自测试时，自测试电容阵列输出周期变化的电荷；信号读取和处理模块接收自测试电容阵列输出的周期变化的电荷，并据此输出一电压信号，所述电压信号用以判断所述电容传感器检测电路是否工作正常，完成自测试功能。如果所述的电压信号值等于上面表达式中V_{LPF_OUT}的值，则表示检测电路工作正常；如果所述的电压信号值偏离上面表达式中V_{LPF_OUT}的值，则表示检测电路工作不正常。从而避免了需要检测电路驱动模块产生高压驱动信号使微机械传感器中的微机械自测试电容输出自测试需要的周期电荷信号，由此检测电路的自测试过程不再需要微机械传感器参与，简化了检测电路的自测试流程，并提高了自测试可靠性，降低了微机械传感器设计复杂度以及检测电路驱动模块的设计难度。

进一步的，自测试电容阵列输出周期变化的电荷包括：幅值电路产生只有正半周期变换的半周期变化电荷；周期实现电路接收幅值电路产生的只有正半周期变换的半周期变化电荷，并据此得到正负半周期都有的周期变化的电荷。

当所述自测试电容阵列的数量为两个，并且两个自测试电容阵列构成差分结构时，自测试电容阵列输出周期变化的电荷包括：两个构成差分结构的自测试电容阵列均输出周期变化的电荷，且所输出的周期变化的电荷构成差分信号。

综上可见，在本发明实施例提供的微机电***及检测电路中，通过检测电路中的自测试电容阵列输出周期变化的电荷，由此当进行检测电路的自测试时，通过所述自测试电容阵列输出的周期变化的电荷即可进行，从而避免了需要检测电路驱动模块产生高压驱动信号使微机械传感器中的微机械自测试电容输出自测试需要的周期电荷信号，由此检测电路的自测试过程不再需要微机械传感器参与，简化了检测电路的自测试流程，并提高了自测试可靠性；同时，微机械传感器中也不再需要微机械自测试电容了，从而降低了微机械传感器设计复杂度以及检测电路驱动模块的设计难度。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (28)

1.一种微机电***，其特征在于，包括：微机械传感器以及与所述微机械传感器连接的检测电路；其中，

所述微机械传感器包括微机械传感电容；

所述检测电路包括：自测试电容阵列以及与所述自测试电容阵列连接的信号读取和处理模块；其中，

所述自测试电容阵列用以输出周期变化的电荷；

所述信号读取和处理模块包括：顺次连接的电荷放大器、解调器及低通滤波器；所述信号读取和处理模块用以根据所述自测试电容阵列输出的周期变化的电荷输出一电压信号，所述电压信号用以判断所述检测电路是否正常工作，完成自测试功能。

2.如权利要求1所述的微机电***，其特征在于，所述自测试电容阵列包括幅值电路和与所述幅值电路连接的周期实现电路；其中，

所述幅值电路用以产生只有正半周期变换的半周期变化电荷；

所述周期实现电路用以将只有正半周期变换的半周期变化电荷转换成正负半周期都有的周期变化电荷。

3.如权利要求2所述的微机电***，其特征在于，所述周期变化电荷包括正弦波周期变化电荷或者三角波周期变化电荷。

4.如权利要求2所述的微机电***，其特征在于，所述幅值电路包括第一电路组，所述第一电路组包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第一开关、一与所述电容相连的第二开关及与所述第二开关相连的共模电平Vcm，其中，所述第一开关的开启信号与所述第二开关的开启信号相反。

5.如权利要求4所述的微机电***，其特征在于，多组并联的电容组中的多个电容值呈正弦波或者三角波变化，通过不同的电容组中的电容在不同时刻被选中，从而产生只有正半周期变换的半正弦波周期变化电荷或者半三角波周期变化电荷。

6.如权利要求4所述的微机电***，其特征在于，所述幅值电路还包括与所述第一电路组串联的n+1个第一调节电路、n个第二调节电路及一第三调节电路，其中，所述n为自然数，所述第一调节电路包括并联的一电容及一受复位信号控制的开关，及与所述电容和开关连接的共模电平Vcm；所述第二调节电路包括一电容；所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平V_ref，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反。

7.如权利要求4所述的微机电***，其特征在于，所述幅值电路还包括与所述第一电路组串联的一第三调节电路及一第四调节电路，其中，所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平V_ref，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反；所述第四调节电路包括一受复位信号控制的开关及与所述开关连接的共模电平Vcm。

8.如权利要求4所述的微机电***，其特征在于，所述周期实现电路包括第一支路及与所述第一支路并联的第二支路，其中，

所述第一支路包括一第五开关及与所述第五开关相连的参考电平Vcom；

所述第二支路包括一第六开关及与所述第六开关相连的地电平GND；所述第六开关的开启信号与所述第五开关的开启信号相反。

9.如权利要求8所述的微机电***，其特征在于，

所述第五开关的开启信号的形成电路包括：第一并联电路，所述第一并联电路包括并联的第一产生电路及第二产生电路，所述第一产生电路包括一受符号控制信号PH_Vsin控制的开关，所述受符号控制信号PH_Vsin控制的开关与一读取信号PH_RS连接；所述第二产生电路包括一受符号控制信号的反相信号控制的开关，所述受符号控制信号的反相信号控制的开关与一读取信号的反相信号连接；

所述第六开关的开启信号的形成电路包括：第二并联电路，所述第二并联电路包括并联的第三产生电路及第四产生电路，所述第三产生电路包括一受符号控制信号PH_Vsin控制的开关，所述受符号控制信号PH_Vsin控制的开关与一读取信号的反相信号连接；所述第四产生电路包括一受符号控制信号的反相信号控制的开关，所述受符号控制信号的反相信号控制的开关与一读取信号PH_RS连接。

10.如权利要求9所述的微机电***，其特征在于，所述第五开关的开启信号的形成电路还包括与所述第一并联电路相连的缓冲器；所述第六开关的开启信号的形成电路还包括与所述第二并联电路相连的缓冲器。

11.如权利要求10所述的微机电***，其特征在于，

在符号控制信号PH_Vsin为高电平期间，当电荷放大器处于复位状态时，b端接地，a端是虚地端，两端ba的电荷为0，当电荷放大器处于读取状态时，b端接Vcom，a端是虚地端，两端ba的电荷为Vcom*Cba，从而b和a两端之间的电荷Q_ba相比前一个复位状态的增加了Vcom*Cba；

在符号控制信号PH_Vsin为低电平期间，当电荷放大器处于复位状态时，b端接Vcom，a端是虚地端，两端ba的电荷为Vcom*Cba，当电荷放大器处于读取状态时，b端接GND，a端是虚地端，两端ba的电荷为0，从而b和a两端之间的电荷Q_ba相比前一个复位Reset状态的增加了-Vcom*Cba；

其中，Cba为两端ba的电容值。

12.如权利要求11所述的微机电***，其特征在于，自测试电容阵列的输出电荷为：

13.如权利要求1～12中任一项所述的微机电***，其特征在于，所述自测试电容阵列的数量为两个，且两个自测试电容阵列构成差分结构。

14.如权利要求13所述的微机电***，其特征在于，所述电荷放大器、解调器及低通滤波器均为差分结构。

15.一种检测电路，其特征在于，包括：自测试电容阵列以及与所述自测试电容阵列连接的信号读取和处理模块；其中，

所述自测试电容阵列用以输出周期变化的电荷；

所述信号读取和处理模块包括：顺次连接的电荷放大器、解调器及低通滤波器；所述信号读取和处理模块用以根据所述自测试电容阵列输出的周期变化的电荷输出一电压信号，所述电压信号用以判断所述检测电路是否正常工作，完成自测试功能。

16.如权利要求15所述的检测电路，其特征在于，所述自测试电容阵列包括幅值电路和与所述幅值电路连接的周期实现电路；其中，

所述幅值电路用以产生只有正半周期变换的半周期变化电荷；

所述周期实现电路用以将只有正半周期变换的半周期变化电荷转换成正负半周期都有的周期变化电荷。

17.如权利要求16所述的检测电路，其特征在于，所述周期变化电荷包括正弦波周期变化电荷或者三角波周期变化电荷。

18.如权利要求16所述的检测电路，其特征在于，所述幅值电路包括第一电路组，所述第一电路组包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第一开关、一与所述电容相连的第二开关及与所述第二开关相连的共模电平Vcm，其中，所述第一开关的开启信号与所述第二开关的开启信号相反。

19.如权利要求18所述的检测电路，其特征在于，多组并联的电容组中的多个电容值呈正弦波或者三角波变化，通过不同的电容组中的电容在不同时刻被选中，从而产生只有正半周期变换的半正弦波周期变化电荷或者半三角波周期变化电荷。

20.如权利要求18所述的检测电路，其特征在于，所述幅值电路还包括与所述第一电路组串联的n+1个第一调节电路、n个第二调节电路及一第三调节电路，其中，所述n为自然数，所述第一调节电路包括并联的一电容及一受复位信号控制的开关，及与所述电容和开关连接的共模电平Vcm；所述第二调节电路包括一电容；所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平V_ref，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反。

21.如权利要求18所述的检测电路，其特征在于，所述幅值电路还包括与所述第一电路组串联的一第三调节电路及一第四调节电路，其中，所述第三调节电路包括多组并联的电容组，每组电容组包括一电容、一与所述电容相连的第三开关、一与所述电容相连的第四开关及与所述第四开关相连的参考电平V_ref，其中，所述第三开关的开启信号与所述第四开关的开启信号相反；所述第四调节电路包括一受复位信号控制的开关及与所述开关连接的共模电平Vcm。

22.如权利要求18所述的检测电路，其特征在于，所述周期实现电路包括第一支路及与所述第一支路并联的第二支路，其中，

所述第一支路包括一第五开关及与所述第五开关相连的参考电平Vcom；

所述第二支路包括一第六开关及与所述第六开关相连的地电平GND；所述第六开关的开启信号与所述第五开关的开启信号相反。

23.如权利要求22所述的检测电路，其特征在于，

所述第五开关的开启信号的形成电路包括：第一并联电路，所述第一并联电路包括并联的第一产生电路及第二产生电路，所述第一产生电路包括一受符号控制信号PH_Vsin控制的开关，所述受符号控制信号PH_Vsin控制的开关与一读取信号PH_RS连接；所述第二产生电路包括一受符号控制信号的反相信号控制的开关，所述受符号控制信号的反相信号控制的开关与一读取信号的反相信号连接；

所述第六开关的开启信号的形成电路包括：第二并联电路，所述第二并联电路包括并联的第三产生电路及第四产生电路，所述第三产生电路包括一受符号控制信号PH_Vsin控制的开关，所述受符号控制信号PH_Vsin控制的开关与一读取信号的反相信号连接；所述第四产生电路包括一受符号控制信号的反相信号控制的开关，所述受符号控制信号的反相信号控制的开关与一读取信号PH_RS连接。

24.如权利要求23所述的检测电路，其特征在于，所述第五开关的开启信号的形成电路还包括与所述第一并联电路相连的缓冲器；所述第六开关的开启信号的形成电路还包括与所述第二并联电路相连的缓冲器。

25.如权利要求24所述的检测电路，其特征在于，

在符号控制信号PH_Vsin为高电平期间，当电荷放大器处于复位状态时，b端接地，a端是虚地端，两端ba的电荷为0，当电荷放大器处于读取状态时，b端接Vcom，a端是虚地端，两端ba的电荷为Vcom*Cba，从而b和a两端之间的电荷Q_ba相比前一个复位状态的增加了Vcom*Cba；

在符号控制信号PH_Vsin为低电平期间，当电荷放大器处于复位状态时，b端接Vcom，a端是虚地端，两端ba的电荷为Vcom*Cba，当电荷放大器处于读取状态时，b端接GND，a端是虚地端，两端ba的电荷为0，从而b和a两端之间的电荷Q_ba相比前一个复位Reset状态的增加了-Vcom*Cba；

其中，Cba为两端ba的电容值。

26.如权利要求25所述的检测电路，其特征在于，自测试电容阵列的输出电荷为：

27.如权利要求15～26中任一项所述的检测电路，其特征在于，所述自测试电容阵列的数量为两个，且两个自测试电容阵列构成差分结构。

28.如权利要求27所述的检测电路，其特征在于，所述电荷放大器、解调器及低通滤波器均为差分结构。