[发明专利]带有自检测功能的电容式闭环加速度计接口电路

说明书

(一)技术领域

本发明属于MEMS惯性器件领域，特别涉及一种带有自检测功能的电容式闭环加速度计接口电路。

(二)背景技术

惯性传感器技术快速发展，其背后巨大的市场需求是发展的主要推动力量。微机械加速度计是继压力传感器之后，拥有世界上第二大市场销售量的传感器。从民用领域的汽车和消费类电子到军用领域的惯性导航与制导系统，加速度传感器都在其中扮演着重要的角色。加速度计在汽车中的应用包括了安全气囊、倾翻侦测、电子动态控制系统、导航、安全系统和灵活性背负系统。在消费类电子领域，消费类电子制造商在产品中使用加速度计来为产品增加独特的功能以期达到与其他产品的差异性，从而增强市场竞争力。加速度传感器主要用于增加图象稳定性、震动侦测、菜单导航、文本滚动等功能。在军用领域，加速度计是惯性导航系统中最重要的惯性器件之一，其精度水平直接影响和决定导航和制导的精度。汽车安全气囊的开启、火箭轨迹方向的控制、火箭的惯性导航系统的正常工作全部依赖于加速度传感器的精准工作，加速度计失效将导致灾难性的后果。因此，随着加速度传感器在各个领域应用的拓展与加深，提高性能的同时，应该保证加速度计工作的可靠性。然而现有的设计和工艺水平并不能保证传感器完全的可靠性。例如，微机械加速度计在生产工艺过程中难免存在一些误差，不可避免的会生产出一些功能不完善的器件产品，同时微机械加速度计在受到冲击载荷以及温度变化也会引起失效。加速度计接口电路的自检测功能可以对传感器提供周期性的检测。第一时间检测出器件的不稳定因素和一些难以识别的缺陷，验证加速度传感器是否处在正常的工作状态，从而减少因加速度传感器失效而造成的损失，是加速度计的一项重要功能。

专利文件CN 101271125A报道了一种带有自检测功能的电容式微加速度计，该加速度计接口电路采用开环电路结构，加速度的检测灵敏度相对较低。开环结构的加速度计只能够满足民用低端消费类产品需求，无法满足惯性制导武器的需求。因此，带有自检测功能的集成闭环结构的加速度接口电路成为惯性器件的必然趋势。

(三)发明内容

本发明的目的是为克服现有开环加速度接口电路的不足，提出一种带有自检测功能的闭环结构的电容式加速度计接口电路，具有检测灵敏度高、线性度好、噪声低，工作范围宽等特点。

本发明的目的是这样实现的：本发明采用的加速度接口电路使用±9V电源供电。整体电路由数字部分和模拟部分组成。数字部分用于产生模拟电路中开关的控制时序，由振荡器、分频器和组合逻辑组成；模拟部分包括前级运放，同向放大器，采样保持部分和单位增益PID反馈控制电路组成。

本发明还有这样一些技术特征：时序电路产生电路中各开关的控制时序，test信号为通过芯片管脚外加的控制信号。自检测控制时序通过开关S5控制在每个工作循环中自检测电压加载在feedback point点的时长。Test可以是直流信号或方波信号。若test为直流高电平，则电路一直处于自检测状态，这时，若有外部加速度信号，则输出为自检测输出与检测加速度信号的输出的总和；若test为直流低电平，则电路一直处于检测外部加速度信号状态；若test为方波信号，则在test信号高电平阶段，传感器进行自检测，test信号低电平阶段，传感器检测外部加速度信号，方波信号用于控制电路周期性进行自检测。

加速度计的每个工作循环根据控制时序分为4个阶段，分别是：自检测与电荷泻放阶段、检测阶段、电荷转移阶段和反馈阶段。下面分别加速度计工作时序的不同阶段，模拟信号处理电路的工作原理。

阶段1，自检测与电荷泻放阶段。开关S5闭合，加载自检测电压至feedback point点，同时进行电荷泻放，建立正确的初始状态，防止该点电荷在结果中引入误差。开关S5只有在这一阶段中闭合，其它阶段均保持关断状态。

阶段2，检测阶段。开关S6在这一阶段中闭合，将前级放大器与敏感电容连接，直至反馈周期的开始。在反馈周期，开关S6关断，以避免反馈电压对前级放大器的影响。开关S7在这一阶段结束前一段时间断开，在采样电容上建立噪声的同时，使电路中形成电荷放大器，用于下一阶段的电荷转移，开关S7的关断状态将保持至反馈阶段开始。