[发明专利]实现对于惯性传感器中的电磁干扰的鲁棒性的方案

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克服电容传感器中的电磁干扰的技术。

背景技术

在惯性传感器中，电磁扰动或干扰（EMI）的出现主要是由于接合线和附近的电缆、极板、电路等之间的电容耦合。图1示出了EMI的示范性情况。在图1中，通过多条接合线106将微机电结构（MEMS）器件102耦合至专用集成电路（ASIC）104。接近接合线106的EMI源110在EMI源110和接合线106之间建立了电容耦合110。在图1中示出了电容器符号来说明电容耦合110，但是其只是简单地示出了电磁扰动源110和接合线106之间的寄生电容，但是并不存在实际的电部件。与受到电压源或放大器驱动的节点相比，耦合电容性节点的接合线对EMI最为敏感。

在具有高密度电子器件的环境当中，可能存在各种EMI源，这些EMI源可能是显著的EMI源。所述电磁干扰也可能基本上出现在单个频率上，在采样时可能将其掺入到DC分量内。这些电磁干扰可能落到预期传感器信号上，并抹杀预期信号。例如，如果按照100kHz的时钟频率对预期信号进行采样，并且干扰处于100kHz处，那么在以所述时钟频率对所述干扰采样时，其可能表现为基本上为直流的信号。因而，重要的是要保护预期传感器信号不受EMI干扰，尤其是沿电容性路径。EMI问题对于恶劣环境中的安全非常关键的应用而言尤为重要，例如，用于汽车中的电子稳定性的传感器。

两种常用的EMI解决方案是采用金属对传感器进行屏蔽以及采用差分方案。采用金属对传感器进行屏蔽包括建立法拉第笼，以阻挡可能引起EMI的外部电场。但是，屏蔽可能造成笨重，而且价格昂贵，尤其是在有大量的传感器需要屏蔽，或者在小的区域内安装了高密度的电子器件时。

所述差分方案获取平行线路上的信号之间的差，其能够基本上减除作为共模信号的电磁干扰。图2示出了所述差分方案。所述示范性差分传感器和放大器系统200包括通过接合线260、262耦合至ASIC240的MEMS器件220。接合线260、262中的每一条经历来自外部源210的EMI。在EMI源210和第一接合线260之间存在电容耦合250，从而生成第一干扰电容C1，在EMI源210和第二接合线262之间存在电容耦合252，从而生成第二干扰电容C2。如果EMI源210与接合线260、262之间的干扰电容C1和C2是相同的，则由于ASIC240的差分放大器的共模抑制的原因将抑制所述电磁扰动。然而，为了实现预期的抵消，MEI源210与接合线260、262之间的干扰电容C和C2不应存在超过0.5%的失配。在实践中很难获得这样的匹配。即使最初实现了匹配，但是所述接合线也可能受到干扰或发生翘曲，例如，因车祸而导致的。接合线的这种移动可能导致接合线之间的不对称性，这可能导致干扰电容当中存在不希望出现的失配，从而降低所述差分方案的有效性。

希望具有一种鲁棒的减少电磁干扰的技术，其还能够克服屏蔽和差分电路的一些缺陷。

发明内容

公开了一种抗电磁干扰的电容传感器系统，其包括电容芯、差分放大器、第一和第二电容路径以及斩波系统。所述电容芯包括第一可变电容器、第二可变电容器、耦合至所述第一可变电容器的第一芯输出端、耦合至所述第二可变电容器的第二芯输出端以及耦合所述第一可变电容器和所述第二可变电容器的公共节点。所述差分放大器包括反相输入端和非反相输入端。所述第一电容路径将所述第一芯输出端耦合至所述差分放大器的输入端，所述第二电容路径将所述第二芯输出端耦合至所述差分放大器的输入端。所述斩波系统具有高态和低态，并且将所述第一芯输出端和第二芯输出端耦合至所述差分放大器的输入端。在所述斩波系统处于高态时，向所述电容芯的公共节点施加正阶跃电压（step voltage），并且所述斩波系统将所述第一芯输出端耦合至所述差分放大器的反相输入端，将所述第二芯输出端耦合至所述差分放大器的非反相输入端。在所述斩波系统处于低态时，向所述电容芯的公共节点施加负阶跃电压，并且所述斩波系统将所述第一芯输出端耦合至所述差分放大器的非反相输入端，将所述第二芯输出端耦合至所述差分放大器的反相输入端。所述电容芯可以是微机电器件。所述第一电容路径可以包括第一接合线，所述第二电容路径可以包括第二接合线。可以按照将噪声从感兴趣的频带抹除（smear）的频率或者按照跨越宽频率范围基本上均匀地抹除噪声的频率或者按照随机频率使所述斩波系统在高态和低态之间变化。