五電極微機(jī)械加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)控制電路及其接口電路以及五電極微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于MEMS慣性器件領(lǐng)域，具體涉及一種五電極微機(jī)械加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán) 控制電路及其接口電路以及五電極微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 微機(jī)械加速度計(jì)結(jié)合了MEMS工藝和1C工藝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具有體積小、功耗小、成 本低等特點(diǎn)，在民用和軍事應(yīng)用中均具有巨大潛力，已成為各國(guó)研宄機(jī)構(gòu)或公司的研宄熱 點(diǎn)。其中電容式微加速度計(jì)由于低功耗、高靈敏度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、溫度敏感性低等優(yōu)點(diǎn)而逐漸 成為微加速度計(jì)研宄的主流。
[0003] 加速度計(jì)可以工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)或者閉環(huán)狀態(tài)。開(kāi)環(huán)工作狀態(tài)下，加速度計(jì)的輸出 由動(dòng)極板的位移和位移檢測(cè)電路決定，但動(dòng)極板偏離平衡位置會(huì)使輸出存在非線性。閉環(huán) 工作狀態(tài)下，由輸出決定的反饋力被加載到加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)上，使動(dòng)極板回到平衡位置， 加速度計(jì)克服位移引起的非線性影響。閉環(huán)工作的加速度計(jì)的輸出與需要保持動(dòng)極板在平 衡位置的靜電力成正比，對(duì)敏感結(jié)構(gòu)和電路的工藝偏差也更不敏感。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中通常采用高階2-△微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了低噪聲數(shù)字輸出微機(jī)械 加速度計(jì)系統(tǒng)。但系統(tǒng)的輸出仍與動(dòng)極板的位移直接相關(guān)，存在較大的非線性，對(duì)敏感結(jié)構(gòu) 和電路的工藝偏差非常敏感。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 綜上所述，確有必要提供一種可以使動(dòng)極板保持在平衡位置且對(duì)敏感結(jié)構(gòu)和電路 的工藝偏差不敏感的五電極微機(jī)械加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)控制電路及其接口電路，以及采用該 數(shù)字閉環(huán)控制電路的五電極微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)。
[0006] 一種五電極微機(jī)械加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)控制電路，其包括：
[0007] 電容讀出前端電路，用于檢測(cè)所述五電極微機(jī)械加速度計(jì)的檢測(cè)極板間差分電 容，并轉(zhuǎn)換為成比例的電壓信號(hào)；
[0008] 控制器，接收所述電容讀出前端電路輸出的電壓信號(hào)，并調(diào)節(jié)以改變所述五電極 微機(jī)械加速度計(jì)和數(shù)字閉環(huán)控制電路組成的系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和 動(dòng)態(tài)性能，該控制器包括一積分器，該積分器用于使低頻區(qū)域輸入為零的所述電壓信號(hào)輸 出不為零；
[0009] 2-A調(diào)制器，用于將所述控制器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成位流信號(hào)，并提供數(shù)字輸出， 以及
[0010] 反饋電壓產(chǎn)生電路，包括檢測(cè)電路和反饋電路，所述檢測(cè)電路給所述五電極微機(jī) 械加速度計(jì)的檢測(cè)極板施加所述位流信號(hào)產(chǎn)生的載波，所述反饋電路根據(jù)所述位流信號(hào)產(chǎn) 生的反饋信號(hào)作用于所述五電極微機(jī)械加速度計(jì)的反饋極板以及動(dòng)極板上并產(chǎn)生反饋靜 電力，使所述五電極微機(jī)械加速度計(jì)的動(dòng)極板處于平衡位置。
[0011] -種五電極微機(jī)械加速度計(jì)接口電路，其包括時(shí)鐘產(chǎn)生電路、參考電壓產(chǎn)生電路、 偏置電流產(chǎn)生電路以及所述數(shù)字閉環(huán)控制電路，其中，所述時(shí)鐘產(chǎn)生電路為所述電容讀出 前端電路、控制器、2-A調(diào)制器以及反饋電壓產(chǎn)生電路提供時(shí)鐘信號(hào)，所述參考電壓產(chǎn)生 電路為所述電容讀出前端電路、控制器、2-△調(diào)制器以及反饋電壓產(chǎn)生電路提供參考電 壓，所述偏置電流產(chǎn)生電路為所述電容讀出前端電路、控制器以及2-△調(diào)制器提供偏置 電流。
[0012] 一種五電極微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)，包括五電極微機(jī)械加速度計(jì)以及所述五電極微 機(jī)械加速度計(jì)接口電路。
[0013] 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過(guò)使用包含積分器的控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)所述五電極微機(jī)械 加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)控制電路，采用該控制器可以使在低頻區(qū)域所述電容讀出前端電路輸出 的電壓信號(hào)為零時(shí)，該數(shù)字閉環(huán)控制電路的輸出信號(hào)仍然不為零，即可以很好地控制所述 五電極微機(jī)械加速度計(jì)的動(dòng)極板即使在有加速度信號(hào)輸入的情況下仍然能保持在平衡位 置，從而克服了動(dòng)極板位移造成的非線性。此外，該數(shù)字閉環(huán)控制電路對(duì)加速度計(jì)的敏感結(jié) 構(gòu)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(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 和動(dòng)態(tài)性能，且適于大批量生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的五電極微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)的功能框圖。
[0015] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的五電極微機(jī)械加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的五電極微機(jī)械加速度計(jì)接口電路的功能框圖。
[0017] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的五電極微機(jī)械加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)控制電路的功能框 圖。
[0018] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的五電極微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)的功能模塊連接框圖。
[0019] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的五電極微機(jī)械加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)電路中電容讀出前 端電路的原理圖。
[0020] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的五電極微機(jī)械加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)電路中采用全差分 開(kāi)關(guān)電容積分器作為控制器的電路原理圖。
[0021] 圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的五電極微機(jī)械加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)電路工作所述的主 時(shí)鐘、第一時(shí)鐘相、第二時(shí)鐘相以及控制器中斬波電路不交迭時(shí)鐘的時(shí)序圖。
[0022] 圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的五電極微機(jī)械加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)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(fā)明實(shí)施例提供的五電極微機(jī)械加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)電路中單端轉(zhuǎn)差分 電路的電路原理圖。
[0024] 圖11是本發(fā)明實(shí)施例提供的五電極微機(jī)械加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)電路中2-A調(diào)制 器的功能模塊連接框圖。
[0025] 圖12是本發(fā)明實(shí)施例提供的五電極微機(jī)械加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)電路的工作時(shí)序 圖。
[0026]圖13是本發(fā)明實(shí)施例提供的五電極微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)波特 圖。
[0027] 主要元件符號(hào)說(shuō)明
[0028] 五電極微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng) 100
[0029] 五電極微機(jī)械加速度計(jì) 10
[0030] 敏感質(zhì)量塊、動(dòng)極板 12
[0031]梁 14
[0032] 檢測(cè)上極板 15
[0033] 檢測(cè)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(shù)字閉環(huán)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(kāi)關(guān)電容積分器 34a，34b
[0041]斬波電路 342,342'
[0042] 2-A調(diào)制器 36
[0043] 第一級(jí)積分器 362
[0044] 第二級(jí)積分器 364
[0045] 第三級(jí)積分器 366
[0046] 量化器 368
[0047] 電壓反饋產(chǎn)生電路 38
[0048] 檢測(cè)電路 382
[0049] 反饋電路 384
[0050] 時(shí)鐘產(chǎn)生電路 40
[0051] 參考電壓產(chǎn)生電路 42
[0052] 偏置電流產(chǎn)生電路 44
[0053] 如下具體實(shí)施例將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
【具體實(shí)施方式】
[0054] 以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提供的五電極微機(jī)械加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)控制電 路及其接口電路以及五電極微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)。
[0055] 請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明實(shí)施例首先提供一種五電極微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)100,該五電 極微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)100包括五電極微機(jī)械加速度計(jì)10以及與該五電極微機(jī)械加速度 計(jì)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(jī)械加速度計(jì)10的加 速度信息，并產(chǎn)生載波和反饋信號(hào)加載到五電極微機(jī)械加速度計(jì)10。
[0056] 請(qǐng)參閱圖2,所述五電極微機(jī)械加速度計(jì)10為一電容式加速度計(jì)，其包括敏感質(zhì) 量塊12、梁14、檢測(cè)上極板15、檢測(cè)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(jī)械加速度計(jì)10包括兩根所述梁14連接在所述敏感質(zhì)量塊12沿敏感方向上的兩 端。當(dāng)外界輸入加速度時(shí)，所述敏感質(zhì)量塊12會(huì)沿所述敏感方向運(yùn)動(dòng)，該敏感質(zhì)量塊12可 引出電極作為該五電極微機(jī)械加速度計(jì)10的動(dòng)極板（中間極板）。所述檢測(cè)上極板15、檢 測(cè)下極板16、反饋上極板17以及反饋下極板18為定極板。本發(fā)明實(shí)施例中為簡(jiǎn)化說(shuō)明，采 用標(biāo)號(hào)12同時(shí)表示所述動(dòng)極板。所述動(dòng)極板12在所述外界輸入加速度的作用下，相對(duì)于 固定不動(dòng)的檢測(cè)上極板15、檢測(cè)下極板16、反饋上極板17以及反饋下極板18會(huì)產(chǎn)生位移， 從而所述定極板與動(dòng)極板之間的差分電容會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而來(lái)檢測(cè)外界輸入的加速度的大 小。電容式的五電極加速度計(jì)均適用于本發(fā)明。本發(fā)明實(shí)施例中，所述五電極微機(jī)械加速 度計(jì)10為梳齒電容式加速度計(jì)。該梳齒電容式加速度計(jì)的所述敏感質(zhì)量塊12沿敏感方向 的兩邊設(shè)置有多對(duì)動(dòng)梳齒，可隨所述敏感質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)。所述檢測(cè)上極板15、檢測(cè)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(shè)置一對(duì)或多對(duì)定梳齒。
[0057] 請(qǐng)參閱圖3，所述接口電路20包括數(shù)字閉環(huán)控制電路30、時(shí)鐘產(chǎn)生電路40、參考電 壓產(chǎn)生電路42以及偏置電流產(chǎn)生電路44。所述接口電路20通過(guò)所述數(shù)字閉環(huán)控制電路 30連接于所述五電極微機(jī)械加速度計(jì)10，所述時(shí)鐘產(chǎn)生電路40、參考電壓產(chǎn)生電路42以及 偏置電流產(chǎn)生電路44分別為所述數(shù)字閉環(huán)控制電路30工作提供所需的時(shí)鐘信號(hào)、參考電 壓以及偏置電流。
[0058] 請(qǐng)一并參閱圖3-5,所述數(shù)字閉環(huán)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(diào)制器調(diào)制器36以及反饋電壓產(chǎn)生電路38。
[0059] 所述五電極微機(jī)械加速度計(jì)10的檢測(cè)極板與動(dòng)極板間產(chǎn)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(zhuǎn)化為與該