傳感器電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及電容式傳感器和傳感器的可變電容到數(shù)字值的轉(zhuǎn)換。
【背景技術(shù)】
[0002] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電容傳感器具有廣泛的應(yīng)用。電容傳感器用于感測(cè)壓力、加速度、流量、 濕度、接近度、角度、旋轉(zhuǎn)以及人機(jī)界面感測(cè)應(yīng)用。例如，電容傳感器用于壓差測(cè)量以及絕對(duì) 壓力測(cè)量。
[0003] 由電容傳感器產(chǎn)生的可變電容必須被轉(zhuǎn)換為可以被處理以產(chǎn)生測(cè)量輸出的電信 號(hào)。在許多情況下，期望產(chǎn)生表示可變電容的數(shù)字值的電信號(hào)，從而通過數(shù)字電路而非模擬 電路來完成進(jìn)一步的信號(hào)處理。
[0004] 使用Σ-Λ調(diào)制器的電容/數(shù)字的（C/D)轉(zhuǎn)換器已經(jīng)與電容傳感器結(jié)合使用。一 個(gè)示例是用于C/D轉(zhuǎn)換Σ-△調(diào)制器與電容壓力傳感器結(jié)合使用。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器電路包括端子位移電容傳感器和電容/數(shù)字（C/D) Σ - Λ 調(diào)制器。電容傳感器包括傳感器電容器和參考電容器。第一端子連接到傳感器電容器，第二 端子連接到參考電容器，并且公用端子連接到傳感器電容器和參考電容器二者。Σ-△調(diào)制 器包括積分器、量化器和激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器。積分器具有連接到電容傳感器的公用端子的輸 入端并且具有連接到量化器的輸出端。量化器的輸出是脈沖代碼調(diào)制輸出信號(hào)，該脈沖代 碼調(diào)制輸出信號(hào)是傳感器電容器的電容和參考電容器的電容的函數(shù)。激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器將傳 感器激勵(lì)信號(hào)提供到電容傳感器的第一端子并且將參考激勵(lì)信號(hào)提供到電容傳感器的第 二端子。
【附圖說明】
[0006] 圖IA和IB圖示了連接到C/D轉(zhuǎn)換器的Σ-Λ調(diào)制器的端子位移電容傳感器的可 替換的激勵(lì)方案。
[0007] 圖2是使用圖IA示出的激勵(lì)的傳感器系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)包括端子位移電容傳 感器和一階兩相Σ-△調(diào)制器，其中單個(gè)的激勵(lì)兩相信號(hào)被提供到電容傳感器的公用板端 子。
[0008] 圖3Α和3Β示出了用于圖2的電容傳感器中的歸一化寄生電容的兩個(gè)不同值的傳 遞函數(shù)動(dòng)態(tài)范圍和傳遞函數(shù)敏感度。
[0009] 圖4Α和4Β示出了圖2示出的傳感器處和Σ-Λ調(diào)制器的參考輸入引腳處的尖峰 信號(hào)電壓波形。
[0010] 圖5是使用圖IB不出的激勵(lì)用于測(cè)量Cr的一階兩相Σ _ Δ調(diào)制器電 路的示意圖，其中Crep是歸一化參考電容并且OsElsTSOK是歸一化傳感器電容。
[0011] 圖6A和6B分別是圖2和5的電路的調(diào)制器傳遞函數(shù)和調(diào)制器敏感度的曲線圖， 其中歸一化寄生電容等于0。
[0012] 圖7A和7B分別是圖2和5的電路的調(diào)制器傳遞函數(shù)和調(diào)制器敏感度的曲線圖， 其中中歸一化寄生電容等于〇. 5。
[0013] 圖8是不出測(cè)量電容比(^h[V0si~ts_SOR的一階兩相調(diào)制器電路的不意圖。
[0014] 圖9A-9C TK出了在三個(gè)不同的歸一化絕對(duì)壓強(qiáng)值下圖8的電路的第一級(jí)積分器的 輸出端處的波形。
[0015] 圖10A-10C示出了到圖8的Σ-Λ調(diào)制器的第一級(jí)積分器的公用輸入引腳處的尖 峰信號(hào)波形。
[0016] 圖11不出了在兩個(gè)不同的值的情況下測(cè)量0ref/0seNSOR的2 _ A調(diào)制器 的傳遞函數(shù)曲線圖。
[0017] 圖12是用于測(cè)量(^/Osa的一階兩相Σ-Λ調(diào)制器電路的示意圖。
[0018] 圖13是與圖12的調(diào)制器電路結(jié)合使用的可編程比率度量激勵(lì)電壓發(fā)生器的示意 圖。
[0019] 圖14是示出測(cè)量OrefZ^sensOrK Σ-Λ調(diào)制器的函數(shù)曲線與測(cè)量 Σ-Λ調(diào)制器的函數(shù)曲線的對(duì)比的傳遞函數(shù)曲線圖。
[0020] 圖15是當(dāng)調(diào)制器的量化器的輸出y是y = 0和當(dāng)y = 1時(shí)，輸入到圖12的Σ-Λ 調(diào)制器的公用輸入引腳處的尖峰信號(hào)電壓比曲線圖。
[0021] 圖16是用于測(cè)量0e/CSA的二階兩相Σ-Λ調(diào)制器電路的示意圖。
[0022] 圖17A-17C示出了圖16的Σ - Λ調(diào)制器的第一級(jí)積分器的波形。
[0023] 圖18是示出類似于圖16的電路但是還包括適應(yīng)性激勵(lì)電壓控制器的二階兩相 Σ-Λ調(diào)制器電路的框圖。
[0024] 圖19Α和19Β每個(gè)都示出了圖18的調(diào)制器電路的第一級(jí)積分器在兩組不同的激 勵(lì)電壓下的輸出波形，其中圖19Α表示一個(gè)壓力并且圖19Β表示另一個(gè)壓力。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 介紹傳感器電路10 (圖1Α)
[0026] 圖IA和IB示出了用于單個(gè)的板端子位移電容傳感器的兩種可替換的電容/數(shù)字 (C/D)的激勵(lì)方案。端子位移電容傳感器是其中形成傳感器的板之間的間隔改變與感測(cè)的 參數(shù)相關(guān)的傳感器。因而，傳感器的電容的改變與被感測(cè)的參數(shù)相關(guān)。圖IA示出傳感器電 路10,傳感器電路10包括電容傳感器12和電容/數(shù)字（C/D) Σ-Λ調(diào)制器14。傳感器12 包括傳感器電容器CS和參考電容器CR，二者共用公用板。傳感器12具有三個(gè)端子，公用 板端子CP、傳感器板端子SP和參考板端子RP。端子SP和RP連接到調(diào)制器14的輸入端。 公用板端子CP接收單個(gè)兩相激勵(lì)信號(hào)V_，它激勵(lì)傳感器電容器CS和參考電容器CR兩者。 調(diào)制器14產(chǎn)生脈沖代碼調(diào)制輸出信號(hào)PCM和激勵(lì)信號(hào)V_。
[0027] 傳感器電路10產(chǎn)生數(shù)字化信號(hào)（輸出信號(hào)PCM)，可以根據(jù)該數(shù)字化信號(hào)確定傳感 器電容器CS的電容。當(dāng)需要高分辨率壓力測(cè)量時(shí)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由調(diào)制器14產(chǎn)生的數(shù)字化信 號(hào)在數(shù)個(gè)特性方面不足。
[0028] 第一，數(shù)字化信號(hào)與壓力是非線性的。這使信號(hào)補(bǔ)償復(fù)雜化并且使得分辨率性能 依賴于施加的壓力。
[0029] 第二，數(shù)字化信號(hào)導(dǎo)致模擬數(shù)字（A/D)轉(zhuǎn)換器的低利用范圍。由于對(duì)于輸入傳感 器12的壓力輸入調(diào)制器14的輸出端敏感度低，這造成差的分辨率。敏感度最低接近于傳 感器12的零壓力輸入狀態(tài)。
[0030] 第三，激勵(lì)信號(hào)具有較低的信號(hào)電平。這有助于較差的分辨率，因?yàn)轵?qū)動(dòng)傳感器信 號(hào)與傳感器電路10中的固有熱噪聲相比相對(duì)低。
[0031] 傳感器12的一些應(yīng)用，諸如雙絕對(duì)壓差感測(cè)，要求高分辨率信號(hào)檢測(cè)。在那些應(yīng) 用中，電路10不是最優(yōu)的。
[0032] 將參照?qǐng)D2、3A、3B、4A和4B更詳細(xì)地描述傳感器電路10。
[0033] 介紹一傳感器電路20(圖1B)
[0034] 圖IB示出傳感器電路20,傳感器電路20包括單個(gè)板端子位移電容傳感器22和C/ D的Σ-Λ調(diào)制器24。電容傳感器22類似于電容傳感器12。傳感器22包括傳感器電容器 CS和參考電容器CR，其中公用板端子CP連接到C/D電路24的輸入端。傳感器板端子SP 接收傳感器激勵(lì)信號(hào)V__sen，并且參考板端子RP接收參考激勵(lì)信號(hào)Vexyef。調(diào)制器24產(chǎn)生 脈沖代碼調(diào)制輸出信號(hào)PCM，以及傳感器激勵(lì)信號(hào)_和參考激勵(lì)信號(hào)V 。
[0035] 傳感器電路20提供比傳感器電路10高的分辨率。它解決了上述傳感器電路10 的數(shù)字化信號(hào)的不足。
[0036] 將討論在圖IB中大體圖示的傳感器電路20的5個(gè)不同的實(shí)施例。圖5-7B描述 了使用一階兩相Σ-Λ調(diào)制器的傳感器電路20A。圖8-11描述了傳感器電路20B，它使用 二階兩相Σ-Λ調(diào)制器。圖12-15描述了傳感器電路20C，傳感器電路20C使用包括可編程 比率度量的激勵(lì)電壓發(fā)生器的一階兩相調(diào)制器。圖16-17C圖示了傳感器電路20D，傳感器 電路20D使用具有可編程比率度量的激勵(lì)電壓發(fā)生器的二階兩相Σ-Λ調(diào)制器。圖18-19B 示出了傳感器電路20E，傳感器電路20E使用包括適應(yīng)性激勵(lì)電壓控制和可編程比率度量 的激勵(lì)電壓發(fā)生器的二階兩相Σ-Λ調(diào)制器。
[0037] 電容傳感器12和22
[0038] 電容傳感器12和22是可以用于例如提供絕對(duì)壓力（AP)測(cè)量的單個(gè)板端子位移 傳感器。傳感器12、22包括（具有電容C sensqr的）傳感器電容器CS和（具有電容Cref的） 參考電容器CR。傳感器電容器CS和參考電容器CR共用公用板端子CP。傳感器電容C sensqr 可以被建模為：
[0040] 其中，Csa是有源感測(cè)電容，Cp是寄生電容，.^是具有[0，1]的動(dòng)態(tài)范圍的歸一化 絕對(duì)壓力，α是歸一化彈性常數(shù)。
[0041] 表格1列出了 α = 〇. 6時(shí)傳感器12、22的示例性歸一化電容參數(shù)，并且電容歸一 化為C。，其中C。是時(shí)的有源感測(cè)電容，(：1是 :.#^1時(shí)的有源感測(cè)電容。
[0042] 表格I: R有的傳感器的示例件參數(shù)，其中α = 〇. 6
[0046] 傳感器電路1〇(圖IA和2-4B)
[0047] 圖2示出了已有的傳感器電路10的基本構(gòu)造。傳感器電路10包括參照?qǐng)DIA所 述的電容傳感器12和C/D Σ - △調(diào)制器14。調(diào)制器14包括積分器30、量化器32和激勵(lì)信 號(hào)發(fā)生器34。積分器30是第一級(jí)積分器，并且包括運(yùn)算放大器（op amp)36、開關(guān)38、40、 42、44、46、48和50、自動(dòng)調(diào)零電容器CZ和反饋電容器CF1。量化器32包括比較器52和鎖 存器54。激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器34包括開關(guān)56和58。圖2還示出了產(chǎn)生調(diào)制器14的兩相操作 的時(shí)鐘信號(hào)φ?和φ2。調(diào)制器14使用三個(gè)電壓電平，VP、VMID和VN。VMID是VDDA和VSSA 之間的電壓居中值。
[0048] 在積分器30中，當(dāng)鎖存器54的輸出y是"1"或高電平時(shí)，開關(guān)38和44被關(guān)閉， 并且當(dāng)鎖存器54的輸出f是" 1"或高電平時(shí)，開關(guān)40和42被關(guān)閉。當(dāng)φ?是高電平時(shí)開 關(guān)48和50被關(guān)閉，并且當(dāng)φ:2是高電