[发明专利]一种自动量程的MEMS电容式传感器

说明书

技术领域

本发明涉及电子领域，具体涉及一种自动量程的MEMS电容式传感器。

背景技术

随着MEMS传感器应用领域的不断推广，一些应用领域要求进一步增加传感器的量程，同时提高传感器的精度。在不采用新技术的前提下，增加传感器的量程和提高传感器的精度是相互对立的，传感器设计人员需要折中考虑量程和精度。

由于MEMS电容式传感器输出信号的电压变化范围不超过传感器供电电压范围，因此传感器的标度因数(灵敏度)不变的情况下，传感器的量程受供电电压限制，故而提高MEMS电容式传感器供电电压差可以增大传感器的量程。若不改变传感器供电电压差，通过降低传感器的标度因数虽然也可以增加传感器的量程，但其降低了传感器的信噪比，会导致传感器的精度下降。现有MEMS电容式传感器量程固定，不能根据测量结果自动切换合适量程。在测量弱小信号时，传感器仍然按原量程工作，导致测量弱小信号时传感器精度较低。

目前传感器自动量程功能基本采取改变电路或软件算法的放大倍数的方式来实现的。

发明专利《自选量程高压数字兆欧表》的量程选择电路根据被测取样电压大小，给出相应衰减量，由比较器输出相关的逻辑信号加到移位逻辑电路中，根据该电路的逻辑功能去控制显示器的小数点移位，达到量程自动切换的功能。

发明专利《用于辐射探测的大动态微弱电流探测装置》的量程自动选择由量程选择开关电路实现。量程选择开关电路由控制端口、光电耦合部分和继电器控制三部分组成，光电耦合器控制继电器的通短，进而实现电路不同放大倍数的选择，达到量程切换的目的。

发明专利《一种自动量程的伏安相位表》由A/D转换器、微控制器和可编程增益放大器构成自动量程选择模块。通过编程控制可编程增益放大器的放大倍数实现量程的切换。

发明专利《数字式万能测量仪的自动量程选择器》提出首先将被测电压信号经过衰减器衰减，再由A/D转换器转换为数字信号。然后对转换后的数字信号进行计数。同时并行A/D转换器将衰减器输出的信号同内部基准电压相比较提供并行数字输出信号。控制逻辑和测量量程选择器根据并行A/D转换器的数字输出信号控制衰减器的输出电压。

然而上述发明措施均是通过改变传感器检测电路放大或衰减倍数来实现分段多量程测量。当传感器敏感元件的等效输入噪声远小于检测电路的等效输入噪声，且传感器供电电压恒定时，虽然测量大信号时减小电路放大倍数，测量小信号时增大电路放大倍数，可以实现传感器量程自适应。但是采用增大电路放大倍数的方法测量小信号时，电路同时也将噪声放大了相应的倍数，该方法没有提高传感器的信噪比。因此虽然实现了传感器的自动量程功能，但其小量程的检测精度没有得到提高。

发明内容

虽然MEMS电容式传感器量程自动切换也可采用改变检测电路放大倍数来实现，但其缺点是当传感器敏感结构的等效输入噪声远远小于检测电路的等效输入噪声时，该方法不能提高传感器的信噪比。

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种新型的MEMS电容式传感器自动量程设计方法，可以保证传感器测量量程，尤其对于微弱待测量，可以提高传感器信噪比，增大微弱信号的检测精度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种自动量程的MEMS电容式传感器，其特征是，包括MEMS敏感模块、电容/电压转换模块、A/D模块和微处理器；

MEMS敏感模块包括由敏感可动结构和固定极板构成的电容；

敏感可动结构敏感检测待测物理量产生的机械形变；

电容/电压转换模块将电容变化量转换为电压信号；

A/D模块采样电容/电压转换模块输出的电压信号后输出给微处理器；

由微处理器根据接收的数据判断当前A/D模块输出数据是否在设定范围内；即当前量程是否合适；

若当前量程合适，则微处理器计算并输出测量结果；

若当前量程不合适，则通过调节电容两端的直流偏置电压差值调节MEMS敏感模块放大倍数，进而调节传感器放大倍数，重新由A/D模块采样，直到当前量程合适，完成测量。

当MEMS电容式传感器为开环工作方式时，若当前量程不合适，则调节敏感可动结构上直流偏置电压V₁和/或敏感检测固定极板上直流偏置电压V₂，来改变电容两端电压差值，达到增大或减小传感器放大倍数，进而实现传感器量程调节。