抵消由传感器电路贡献的乱真力的用于换能器前端的使用单一放大器的线性电容－电压 ...的制作方法
【专利摘要】公开了电容换能器系统，其减小起因于馈通电容或残留静电力的非线性。系统可以包括核心，具有耦合到第一可变电容器的第一输入，耦合到第二可变电容器的第二输入，和耦合到公共节点的核心输出；放大器，具有可切换地耦合到公共节点的输入和输出；反馈路径，将放大器输出可切换地耦合到公共节点；及主时钟，具有第一和第二相位，控制开关耦合系统组件。当时钟在第一相位中时，第一核心输入耦合到参考电压，第二核心输入耦合到负参考电压，公共节点耦合到放大器输出。当时钟在第二相位中时，核心输入接地，公共节点耦合到放大器输入。系统可以具有单一放大器。中和电容器可以抵消馈通和寄生电容。
【专利说明】抵消由传感器电路贡献的乱真力的用于换能器前端的使用单一放大器的线性电容一电压转换器
【技术领域】
[0001]本专利涉及电容换能器，更具体地，涉及用于使用较少电路减小或消除起因于电容换能器中的乱真电容(spurious capacitance)和残留静电力的非线性的技术。
【背景技术】
[0002]换能器将一般物理量(例如，加速度、压力等)转换为可以由电子电路处理的量。具体地，响应于测量的输入信号的量值，电容换能器产生电容的变化。用于电容换能器的读出电路将由换能器产生电容变化变换为电信号。在该过程中，电路向换能器电极施加电压波形。
[0003]电容加速度计是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的示例性实施例。在这个实施例中，机械感测兀件100包括悬挂在第一弹簧104与第二弹簧106之间的检测质量块102、第一电极110和第二电极112。质量块102的近端耦合到第一弹簧104，质量块102的远端耦合到第二弹簧106。第一弹簧104具有两端，第一端耦合到质量块102的近端，第二端耦合到基底。第二弹簧106具有两端；第一端耦合到质量块102的远端，第二端耦合到基底。公共电极M耦合到质量块102，并随质量块102 —起相对于基底移动。第一和第二电极110、112相对于基底固定。在这个实施例中，将正参考电压Vs施加到第一电极110，将负参考电压-Vs施加到第二电极112。在第一电极110与公共电极M之间形成第一可变电容器C1，在第二电极112与公共电极M之间形成第 二可变电容器C2。
[0004]在这个实施例中，当系统静止时，在第一电极110与公共电极M之间和在第二电极112与公共电极M之间存在基本上相等的额定间隙g(l，在第一可变电容器C1与第二可变电容器C2中产生了基本上相等的电容。输入加速度将质量块102相对于基底移动，这改变了在电极之间的间隙，并改变了可变电容C1X2的电容。在箭头120方向上的加速度使质量块102偏斜距离Λ X，该距离与输入加速度成比例。质量块102的这个移动将在第一电极110与公共电极M之间的距离增大到gfAx，并将第二电极112与公共电极M之间的距离减小到gcrAx，这改变了电容器(^和(:2的电容。可变电容CdP C2的电容C可以由以下确定:
/HF _
「0005]1/2 *—-
S0 土丄(I)
[0006]其中，ε ^是电介质介电常数，A是电容板的面积(其延伸到纸面中)，g(l是额定间隙，Ax是起因于加速度的位移。读出电路基于电容器C1和C2的电容变化，确定Ax的值。
[0007]加速度计常常在严苛的充斥振动的环境中实现，例如自动化或工业环境。在这些环境中，加速度计通常需要良好的线性、低漂移性能和大的满标度量程。常常选择自平衡加速度计用于这些应用。自平衡加速度计测量(C1-C2V(CfC2)t5
[0008]图2是自平衡电容桥200的示例性实施例的示意图。图2中所示的开关电容器实现方式的优点是输入的直接DC偏置，而无需高电阻路径，以及对过程和温度的稳定且定义明确的传递函数。还提供了离散时间输出信号，其可以由模数转换器(ADC)直接数字化。图2显示了自平衡桥的单端实施例。
[0009]自平衡桥200包括传感器核心和读出或接口电路。传感器核心210表示电容传感器元件，例如图1中所示的感测元件100，或者本领域中已知的各种其他电容传感器元件之一。传感器核心210包括两个可变电容器C1和C2,稱合到传感器核心210的输出的共用公共节点M。读出电路包括前向路径，其将传感器核心210的输出通过提供增益的积分器222传送到输出在这个实施例中，积分器222包括放大器224，其具有积分电容器Ci。自平衡桥200还包括第一反馈路径230和第二反馈路径240，其将输出电压Vtl反馈到传感器核心210。第一反馈路径230通过第一反相放大器232将输出电压Vtl反馈到第一求和节点234。第一求和节点234将反相的输出电压-Vtl与反相的参考电压-Vs求和，并将所得到的电压-Vs-Vtl输出到第一可变传感器电容器Q。第二反馈路径240通过第二反相放大器242将输出电压V。反馈到第二求和节点244。第二求和节点244将反相的输出电压-V。与参考电压Vs求和，并将所得到的电压Vs-Vtl输出到第二可变传感器电容器C2。
[0010]自平衡桥200尝试使得两个传感器电容器C1和C2上的绝对电荷相等。在这些条件下，输出电压与在测量的电容器的差与和之间的比率成比例:
[0011]
【权利要求】
1.一种感测物理量的电容换能器系统，所述电容换能器系统包括: 电容核心，基于所述物理量产生核心输出，所述电容核心包括第一可变电容器、第二可变电容器、耦合到所述第一可变电容器的第一核心输入、耦合到所述第二可变电容器的第二核心输入、以及耦合到所述第一可变电容器与所述第二可变电容器之间的公共节点的核心输出； 放大器，具有输入和输出，放大器输入可切换地耦合到所述公共节点，用于接收所述核心输出，放大器输出提供换能器输出； 反馈路径，将所述换能器输出可切换地耦合到所述电容核心的所述公共节点； 主时钟，具有第一相位和第二相位，所述主时钟控制所述电容换能器系统的开关耦合组件的断开和闭合； 其中，当所述主时钟在第一相位中时，所述电容核心的所述第一输入耦合到正参考电压，所述电容核心的所述第二输入耦合到负参考电压，所述电容核心的所述公共节点耦合到所述换能器输出，所述负参考电压具有与所述正参考电压基本相同的量值和相反的极性；并且 其中，当所述主时钟在第二相位中时，所述电容核心的所述第一输入和所述第二输入耦合到地，并且所述电容核心的所述公共节点耦合到所述放大器输入。
2.根据权利要求1所述的电容换能器系统，其中，所述放大器是所述电容换能器系统中仅有的放大器。
3.根据权利要求1所述的电容换能器系统，进一步包括中和电容器，所述中和电容器抵消所述电容换能器系统中的馈通电容和寄生电容。
4.根据权利要求3所述的电容换能器系统，其中，所述中和电容器被校准，以偏移所述电容换能器系统中的馈通电容和寄生电容。
5.根据权利要求3所述的电容换能器系统，其中，所述中和电容器可切换地耦合到所述放大器输入和所述换能器输出，以使得当所述主时钟在所述第一相位中时，所述中和电容器被耦合到所述换能器输出，以及当所述主时钟在所述第二相位中时，所述中和电容器耦合到所述电容核心的所述公共节点，所述公共节点耦合到所述放大器输入。
6.根据权利要求5所述的电容换能器系统，其中，所述放大器是所述电容换能器系统中仅有的放大器。
7.根据权利要求6所述的电容换能器系统,其中,所述电容核心包括第一固定电容板、第二固定电容板、第一可移动电容板和第二可移动电容板；其中，所述第一可移动电容板耦合到所述第二可移动电容板，以形成所述公共节点；所述第一可变电容器由所述第一固定电容板和所述第一可移动电容板形成；并且所述第二可变电容器由所述第二固定电容板和所述第二可移动电容板形成。
8.—种感测物理量的差动电容换能器系统，所述差动电容换能器系统包括: 第一电容核心，基于所述物理量产生第一核心输出，所述第一电容核心包括第一可变电容器、第二可变电容器、耦合到所述第一可变电容器的第一核心输入、耦合到所述第二可变电容器的第二核心输入以及耦合到所述第一可变电容器与所述第二可变电容器之间的第一公共节点的第一核心输出； 第二电容核心，基于所述物理量产生第二核心输出，所述第二电容核心包括第三可变电容器、第四可变电容器、耦合到所述第三可变电容器的第三核心输入、耦合到所述第四可变电容器的第四核心输入、以及耦合到在所述第三可变电容器与所述第四可变电容器之间的第二公共节点的第二核心输出； 差动放大器，具有一对差动输入和一对差动输出，差动输入可切换地稱合到所述第一公共节点和所述第二公共节点，用于接收所述第一核心输出和所述第二核心输出，所述差动输出提供所述换能器输出； 第一反馈路径，将所述换能器输出可切换地耦合到所述第一电容核心的所述第一公共节点； 第二反馈路径，将所述换能器输出可切换地耦合到所述第二电容核心的所述第二公共节点； 主时钟，具有第一相位和第二相位，所述主时钟控制所述电容换能器系统的开关耦合组件的断开和闭合； 其中，当所述主时钟在所述第一相位中时，所述第一电容核心的所述第一输入耦合到正参考电压，所述第一电容核心的所述第二输入稱合到负参考电压，所述第一电容核心的所述第一公共节点耦合到所述换能器输出，所述第二电容核心的所述第三输入耦合到正参考电压，所述第二电容核心的所述第四输入耦合到负参考电压，所述第二电容核心的所述第二公共节点耦合到反相的换能器输出，所述负参考电压具有与所述正参考电压基本上相同的量值和相反的极性；并且 其中，当所述主时钟在所述第二相位中时，所述电容核心的所述第一输入、所述第二输入、所述第三输入和所述第四输入耦合到共模电压，并且所述第一电容核心和所述第二电容核心的公共节点耦合到所述差动放大器的所述差动输入。
9.根据权利要求8所述的差动电容换能器系统，其中，所述差动放大器的所述一对差动输入包括反相输入和非反相输入，所述差动放大器的所述一对差动输出包括反相输出和非反相输出；所述反相输入可切换地耦合到所述第一电容核心的所述第一公共节点，所述非反相输入可切换地耦合到所述第二电容核心的所述第二公共节点，所述反相输出可切换地耦合到所述第二电容核心的所述第二公共节点，并且所述非反相输出可切换地耦合到所述第一电容核心的所述第一公共节点。
10.根据权利要求8所述的差动电容换能器系统，其中，所述差动放大器是所述差动电容换能器系统中仅有的放大器。
11.根据权利要求8所述的差动电容换能器系统，进一步包括中和电容器，所述中和电容器消除所述差动电容换能器系统中的馈通电容和寄生电容。
12.根据权利要求11所述的差动电容换能器系统，其中，所述中和电容器被校准，以偏移所述差动电容换能器系统中的馈通电容和寄生电容。
13.根据权利要求11所述的差动电容换能器系统，其中，所述中和电容器可切换地耦合到所述差动放大器输入和所述差动放大器输出，以使得当所述主时钟在所述第一相位中时，所述中和电容器耦合在所述差动放大器的所述差动输出之间，以及当所述主时钟在所述第二相位中时，所述中和电容器耦合在所述差动放大器的所述差动输入之间，所述差动放大器的所述差动输入耦合到所述第一电容核心和所述第二电容核心的所述第一公共节点和所述第二公共节点。
14.根据权利要求13所述的差动电容换能器系统，其中，所述放大器是所述电容换能器系统中仅有的放大器。
15.根据权利要求14所述的差动电容换能器系统，其中，所述第一电容核心包括第一固定电容板、第二固定电容板、第一可移动电容板和第二可移动电容板；所述第一可移动电容板耦合到所述第二可移动电容板，以形成所述第一公共节点；所述第一可变电容器由所述第一固定电容板和所述第一可移动电容板形成；并且所述第二可变电容器由所述第二固定电容板和所述第二可移动电容板形成；并且 所述第二电容核心包括第三固定电容板、第四固定电容板、第三可移动电容板和第四可移动电容板；所述第三可移动电容板耦合到所述第四可移动电容板，以形成所述第二公共节点；所述第三可变电容器由所述第三固定电容板和所述第三可移动电容板形成；并且所述第四可变电容器由所述第四固定电容板和所述第四可移动电容板形成。
16.根据权利要求14所述的差动电容换能器系统，其中，所述第一可变电容器和所述第三可变电容器对于所述物理量的反应实质上相同，并且所述第二可变电容器和所述第四可变电容器对于所述物理量的反应实质上相同。
17.—种感测物理量的差动电容换能器系统，所述差动电容换能器系统包括: 第一电容核心，基于所述物理量产生第一核心输出，所述第一电容核心包括第一可变电容器、第二可 变电容器、耦合到所述第一可变电容器的第一核心输入、耦合到所述第二可变电容器的第二核心输入、以及耦合到所述第一可变电容器与所述第二可变电容器之间的第一公共节点的第一核心输出； 第二电容核心，基于所述物理量产生第二核心输出，所述第二电容核心包括第三可变电容器、第四可变电容器、耦合到所述第三可变电容器的第三核心输入、耦合到所述第四可变电容器的第四核心输入、以及耦合到在所述第三可变电容器与所述第四可变电容器之间的第二公共节点的第二核心输出； 差动放大器，具有反相输入、非反相输入、反相输出和非反相输出，所述反相输入可切换地耦合到所述第一电容核心的所述第一公共节点，所述非反相输入可切换地耦合到所述第二电容核心的所述第二公共节点，所述反相输出可切换地耦合到所述第二电容核心的所述第二公共节点，并且所述非反相输出可切换地耦合到所述第一电容核心的所述第一公共节点； 第一反馈路径，将所述差动放大器的所述非反相输出可切换地耦合到所述第一电容核心的所述第一公共节点； 第二反馈路径，将所述差动放大器的所述反相输出可切换地耦合到所述第二电容核心的所述第二公共节点； 主时钟，具有第一相位和第二相位，所述主时钟控制所述电容换能器系统的开关耦合组件的断开和闭合； 其中，当所述主时钟在所述第一相位中时，所述第一电容核心的所述第一输入耦合到正参考电压，所述第一电容核心的所述第二输入稱合到负参考电压，所述第一电容核心的所述第一公共节点耦合到所述差动放大器的所述非反相输出，所述第二电容核心的所述第三输入耦合到正参考电压，所述第二电容核心的所述第四输入耦合到负参考电压，所述第二电容核心的所述第二公共节点耦合到所述差动放大器的所述反相输出，所述负参考电压具有与所述正参考电压基本上相同的量值和相反的极性；并且 其中，当所述主时钟在所述第二相位中时，所述电容核心的所述第一输入、所述第二输入、所述第三输入和所述第四输入耦合到共模电压，所述第一电容核心的所述第一公共节点耦合到所述差动放大器的所述反相输入，并且所述第二电容核心的所述第二公共节点耦合到所述差动放大器的所述非反相输入。
18.根据权利要求17所述的差动电容换能器系统，其中，所述差动放大器是所述差动电容换能器系统中仅有的放大器。
19.根据权利要求18所述的差动电容换能器系统，进一步包括中和电容器，所述中和电容器消除所述差动电容换能器系统中的馈通电容和寄生电容。
20.根据权利要求19所述的差动电容换能器系统，其中，所述中和电容器可切换地耦合到所述差动放大器输入和所述差动放大器输出，以使得当所述主时钟在所述第一相位中时，所述中和电容器耦合在所述差动放大器的所述差动输出之间，以及当所述主时钟在所述第二相位中时，所述中和电容器耦合在所述差动放大器的所述差动输入之间，所述差动放大器的所述差动输入耦合到所述第一电容核心和所述第二电容核心的所述第一公共节点和所述第二公共节点。
【文档编号】G01P15/125GK103842829SQ201280048384
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年9月4日 优先权日:2011年9月1日
【发明者】G·巴拉钱德兰, V·佩特科夫 申请人:罗伯特·博世有限公司