[发明专利]一种电容式MEMS传感器检测电路

摘要

本发明公开一种电容式MEMS传感器检测电路。该电路用来检测MEMS的极板位移变化，主要包括：一个产生正弦波的高频振荡电路；两个C^‑1/V检测电路；差分放大电路；相移网络；乘法电路；低通滤波电路和放大输出电路。高频振荡电路产生三路同相的正弦波，其中两路提供给两个C^‑1/V检测电路，以完成对MEMS的极板位移引起的C^‑1变化的检测；差分放大电路用以消除本体电容带来的影响，提高检测的精度；相移网络用于补偿经过C^‑1/V电路的相移，确保输入乘法电路的信号相位相同；低通滤波电路滤掉乘法器输出信号的高次谐波，提取出反映MEMS极板位移变化的信号，从而完成对MEMS极板位移变化的检测。

主权项

1.一种电容式MEMS传感器检测电路，用于输出与MEMS极板间距变化对应的电信号，检测MEMS的极板位移变化，其特征在于包括：高频振荡电路(1)、C‑1/V检测电路(2)；差分放大电路(3)、乘法器电路(4)、低通滤波器(5)、放大输出电路(6)和相移网络(7)；其中，高频振荡电路(1)产生三路正弦信号，其中两路正弦信号分别输出至两个C‑1/V检测电路(2)，两个C‑1/V检测电路分别输出至差分放大电路(3)的两个输入端子，对两路C‑1/V信号进行差分放大，以消除MEMS接口处本体电容带来的影响，输出至乘法器电路(4)的一个输入端子；而三路正弦信号的另外一路输出至相移网络电路(7)，经过相移后输出至乘法器的另外一个输入端子；乘法器对差分放大后的C‑1/V信号进行解调输出至低通滤波电路(5)，经过低通滤波后输出至放大输出电路(6)，经过放大器的缓冲后输出；所述两个C‑1/V检测电路，区别于传统的C/V电路，用于检测C‑1而非C值，C‑1和极板间距呈现线性关系；所述两路正弦信号通过C‑1/V检测电路后，经过差分放大电路，对两路测量信号进行差分放大，以消除本体电容的影响，提高测量精度；若MEMS的一活动极板发生位移Δd，那么对于差分结构的MEMS器件而言同时会有相对极板发生‑Δd位移，其介质相对介电系数为ε，静态时前后活动极板的与固定极板间距都为d；前后活动极板与固定极板形成的电容分别为c1，c2，而ε0是真空中的介电常数，S是两极板相对的面积，则此时：运算放大器前是两个等值的电阻，用来控制电流大小；若高频振荡电路产生的正弦波时域表达式为A·sin(w·t)，A正弦信号幅值，w是正弦信号频率，其中w＞＞所测信号频率,那么两路C^‑1/V检测电路的两路输出分别是：R是连接高频振荡电路和C‑1/V的限流电阻；所以C‑1/V输出信号电压之差ΔU为：将式(1)，(2)代入式(5)得这是一个对称结构的该差分放大电路，将对C‑1/V电路输出的信号差进行放大，电路的各级间用电容耦合，这样消除了前级的零漂带来的影响；若该差分放大电路的增益为G，则输出至乘法器的信号U1为：通过将C‑1/V电路信号在与振荡源的另外一路同频信号混频以解调出所测频段信号；考虑到C‑1/V和差分放大电路的相移作用，假设为Δφ，同时另外一路的正弦信号强度U2为B·sin(w·t+Δφ)，B为高频振荡电路产生的正弦信号经过相移网络后的幅值，Δφ为相移网络的补偿相移,在乘法器增益为0dB时乘法器输出为UMixer_Out：U2＝B·sin(w·t+Δφ)  (8)化简后得：混频器输出信号包括cos(2·w·t+Δφ)·Δd，Δd项，其中cos(2·w·t+Δφ)·Δd为高次谐波项，将被低通滤波器滤掉，在低通滤波器通带内增益为0dB时，则低通滤波器输出ULp为：若缓冲放大器增益为C，那么最后放大器输出Uout：