[发明专利]用于电容传感器的表面电荷减少技术

说明书

技术领域

本专利涉及电容换能器，更具体而言涉及用于降低电容换能器中的表面电荷累积的技术。

背景技术

换能器将一般的物理量（例如，加速度、压力等）转换成能够通过电子电路进行处理的量。具体而言，电容换能器生成对应于测得的输入信号的幅值的电容变化。电容换能器的读出电路将所述换能器生成的电容变化变换为电信号。在所述过程中，所述电路向换能器电极施加电压波形。

电容加速度计，即用于测量加速度的电容换能器包括机械感测元件和读出电路。图1示出了电容加速度计的机械感测元件100的示范性实施例。在这一实施例中，所述机械感测元件100包括悬置于第一弹簧104和第二弹簧106之间的质量块102、第一电极110和第二电极112。质量块102的近端耦合至第一弹簧104，将质量块102的远端耦合至第二弹簧106。所述第一弹簧104具有两个末端：第一末端耦合至质量块102的近端，第二末端耦合至衬底。第二弹簧106具有两个末端：第一末端耦合至质量块102的远端，第二末端耦合至所述衬底。将公共电极M耦合至质量块102，并使其随质量块102一起相对于所述衬底移动。所述第一和第二电极110、112是相对于衬底固定的。在这一实施例中，将正参考电压Vs施加至第一电极110，将负参考电压-Vs施加至第二电极112。在所述第一电极110和公共电极M之间形成第一可变电容器C₁，在所述第二电极112和公共电极M之间形成第二可变电容器C₂。

在这一实施例中，在所述系统休止时，在第一电极110和公共电极M之间以及在第二电极112和公共电极M之间存在基本相等的标称间隙，从而在第一可变电容器C₁和第二可变电容器C₂中建立基本相等的电容。输入加速度使质量块102相对于所述衬底移动，其改变所述电极之间的缝隙，因而改变可变电容器C₁、C₂的电容。沿箭头120的方向的加速度使质量块102偏移与输入加速度成比例的距离Δx。质量块102的这一移动使第一电极110和公共电极M之间的距离增大到g₀+Δx，使第二电极112和公共电极M之间的距离降低至g₀-Δx，这改变了电容器C₁和C₂的电容。通过下式确定可变电容器C1和C2的电容C：

其中，ε₀是介电常数，A是电容板面积（其向纸内延伸），g₀是标称间隙，Δx是由于加速度引起的位移。读出电路基于电容器C₁和C₂中的电容变化确定Δx的值。

图2是自平衡电容电桥200的示范性实施例的图示。图2所示的开关电容器实现的优点在于在不需要高电阻路径的情况下对输入进行直接的DC偏置，并且随着过程的推移和温度的变化具有稳定明晰的传递函数。其还提供了离散时间输出信号，可以通过模数转换器（ADC）使所述信号直接数字化。图2示出了自平衡电桥的单端实施例。