一种硅微陀螺仪差分电容检测电路的制作方法

本发明涉及硅微陀螺仪技术领域，具体是一种硅微陀螺仪差分电容检测电路。

背景技术：

硅微机械陀螺仪是mems技术在惯性导航领域的重要应用之一，它利用哥氏效应原理来测量敏感轴的输入角速率。相较于传统陀螺仪，它具有体积小、重量轻、成本低、可批量生产、易于集成等优点，微惯性器件的这些特点使得它具有更宽广的应用范围，不仅可以用在汽车工程、移动通信、大地测量、地质勘探、微型卫星、运动器材等民用领域，还可以应用在军事领域上，包括制导炸弹、无人驾驶机智能炸弹等。

硅微陀螺仪的驱动模态利用在电容的两极板上施加交流电压，产生静电驱动力，从而使其产生沿驱动方向的机械振动；当有角速度输入时，产生的哥氏力使得检测模态在与驱动方向正交的方向上振动，通过对振动位移信号的提取以及后续处理就可以得到输入角速度信号。硅微陀螺仪微机械结构中位移的检测多采用差分电容方式实现，接口电路通过完成电容/电压转换以实现对敏感位移的检测，但是由于微陀螺质量较轻、振动速度较低，由哥氏效应引起位移变化非常微小，导致差分检测电容变化量在10^-18f量级甚至更小，电容相对变化量δc/c为10^-8量级，而周围环境的寄生电容在几百个ff到几个pf之间，且寄生电容网络结构复杂，会引入各种干扰信号，故硅微陀螺仪输出信号非常容易受到各种噪声和干扰信号的影响。因此，硅微陀螺仪机电接口需要一种高性能的差分电容检测电路。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种硅微陀螺仪差分电容检测电路。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种硅微陀螺仪差分电容检测电路，包括方波发生器、桥式结构连接的模拟开关、参考电容以及差分运算放大器，方波发生器一端接地，另一端连接待检测硅微陀螺仪差分电容，待检测硅微陀螺仪差分电容连接桥式结构连接的模拟开关，而参考电容以及差分运算放大器均与桥式结构连接的模拟开关相连接；

方波发生器，用于产生方波电压信号；

桥式结构连接的模拟开关，在方波正负半周期切换电路状态，形成相应的充放电回路；

参考电容，用于方波正负半周期充放电过程中电荷的存储及积累，并形成与差分电容变化量相关的电压信号；

差分运算放大器，用于将参考电容上的电压信号做差后输出。

其中，方波发生器一端与地相连，另一端与所述硅微陀螺敏感差分电容的公共端相连。

其中，桥式结构连接的模拟开关包括第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关及第四模拟开关，第一模拟开关一端与第二模拟开关的一端相连，另一端与第四模拟开关的一端相连；第二模拟开关的另一端与第三模拟开关的一端相连；第三模拟开关的另一端与第四模拟开关的另一端相连。

其中，硅微陀螺敏感差分电容独立端与第一模拟开关和第二模拟开关的连接端相连，差分电容独立端与第三模拟开关和第四模拟开关的连接端相连。

其中，参考电容包括第一参考电容和第二参考电容，第一参考电容的一端与第四模拟开关和第一模拟开关的连接端相连，并与差分放大器的反相输入端相连，第一参考电容的另一端与地相连；第二参考电容的一端与第二模拟开关与第三模拟开关的连接端相连，并与差分放大器的同相输入端相连。

有益效果：本发明的一种硅微陀螺仪差分电容检测电路，具有以下有益效果：

(1)无信号调制与解调过程，电路结构简单，降低了电路具体实现对器件的要求；

(2)电路检测灵敏度与硅微陀螺敏感差分电容的静态值成反比，而硅微陀螺仪差分电容静态值通常在10^-12f量级，故具有较高的检测灵敏度，特别适合应用于硅微陀螺仪差分电容检测；

(3)信号经差分放大器输出，可有效抑制共模噪声。

综上所述，本发明提出的差分电容检测电路结构简单实用，可有效实现硅微陀螺仪敏感差分电容的检测，提高硅微陀螺仪的信号检测灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施方式差分电容检测电路示意图；

图2为本发明实施方式的第一参考电容与第二参考电容上电压曲线；

图3为与图2中第一参考电容与第二参考电容电压曲线对应的差分放大器输出电压曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种硅微陀螺仪差分电容检测电路，包括用于产生方波电压信号的方波发生器vref、在方波正负半周期切换电路状态，形成相应的充放电回路的桥式结构连接的模拟开关、用于方波正负半周期充放电过程中电荷的存储及积累，并形成与差分电容变化量相关的电压信号的参考电容，以及用于将参考电容上的电压信号做差后输出的差分运算放大器，方波发生器一端接地，另一端连接待检测硅微陀螺仪差分电容，待检测硅微陀螺仪差分电容连接桥式结构连接的模拟开关，而参考电容以及差分运算放大器均与桥式结构连接的模拟开关相连接。方波发生器vref一端与地相连，另一端与所述硅微陀螺敏感差分电容的公共端相连。桥式结构连接的模拟开关包括第一模拟开关s1、第二模拟开关s2、第三模拟开关s3及第四模拟开关s4，第一模拟开关s1一端与第二模拟开关s2的一端相连，另一端与第四模拟开关s4的一端相连；第二模拟开关s2的另一端与第三模拟开关s3的一端相连；第三模拟开关s3的另一端与第四模拟开关s4的另一端相连。硅微陀螺敏感差分电容独立端与第一模拟开关s1和第二模拟开关s2的连接端相连，差分电容c1和c2独立端与第三模拟开关s3和第四模拟开关s4的连接端相连。参考电容包括第一参考电容c3和第二参考电容c4，第一参考电容c3的一端与第四模拟开关s4和第一模拟开关s1的连接端相连，并与差分放大器的反相输入端相连，第一参考电容c3的另一端与地相连；第二参考电容c4的一端与第二模拟开关s2与第三模拟开关s3的连接端相连，并与差分放大器a0的同相输入端相连。

具体地，如图1所示，方波发生器vref一端与地相连，另一端与所述硅微陀螺敏感差分电容c1和c2的公共端相连。第一模拟开关s1一端与第二模拟开关s2的一端相连，另一端与第四模拟开关s4的一端相连；第二模拟开关s2的另一端与第三模拟开关s3的一端相连；第三模拟开关s3的另一端与第四模拟开关s4的另一端相连。

差分电容c1独立端与第一模拟开关和第二模拟开关的连接端相连，差分电容c2独立端与第三模拟开关s3和第四模拟开关s4的连接端相连。

第一参考电容c3的一端与第四模拟开关s4和第一模拟开关s1的连接端相连，并与差分放大器a0的反相输入端相连，第一参考电容c3的另一端与地相连；第二参考电容c4的一端与第二模拟开关s2与第三模拟开关s3的连接端相连，并与差分放大器a0的同相输入端相连。

本发明工作原理：

结合图1，图中c1、c2为硅微陀螺差分电容，且有c1＝c0+δc、c2＝c0-δc，其中c0为差分电容的静态值，δc为差分电容变化量，第一参考电容c3、第二参考电容c4容值大小均为c。方波发生器vref产生的方波幅度为v，频率为mhz量级。在方波正半周，第二模拟开关s2、第四模拟开关s4导通，电压v通过电容c1对第二参考电容c4充电，通过电容c2对第一参考电容c3充电，电容c1、c2上存储的电荷分别与第二参考电容c4、第一参考电容c3上存储的电荷中和后重新分布；在方波的负半周，第一模拟开关s1、第三模拟开关s3导通，电压-v通过电容c1对第一参考电容c3放电，通过电容c2对第二参考电容c4放电，c1、c2上存储的电荷分别与第一参考电容c3、第二参考电容c4上原有的电荷中和后重新分布。在这个过程中，模拟开关在方波正半周期和负半周期切换状态。经过多个方波周期后，第一参考电容c3、第二参考电容c4上的电压将逐渐趋于稳定，差分运算放大器输出相应趋于稳定。图2展示了差分电容变化量为δc时，第一参考电容c3、第二参考电容c4输出电压的变化，图3展示了相应的差分放大器a0输出电压的变化。

在方波第n个周期的正半周期，第二模拟开关s2、第四模拟开关s4闭合，第一模拟开关s1、第三模拟开关s3断开，则差分检测电容c1、c2，第一参考电容c3、第二参考电容c4上此时的电荷量分别等于第n-1个载波负半周期结束时各电容的电荷量。考虑第二模拟开关s2、第四模拟开关s4闭合后的稳态，电容c1与第二参考电容c4，电容c2与第一参考电容c3组成闭合回路，电荷和电压可以表示为：

式(a1)中，q1-(n-1)为第n-1个载波负半周期结束时电容c1上存储的电荷量，q2-(n-1)为第n-1个载波负半周期结束时电容c2上存储的电荷量，q3-(n-1)为第n-1个载波负半周期结束时第一参考电容c3上存储的电荷量，，q4-(n-1)为第n-1载波负半周期结束时第二参考电容c4上存储的电荷量，va+(n)为第n次载波周期正半周电路达到稳态后点a处的电压，vb+(n)为第n次载波周期正半周电路达到稳态后点b处的电压，vc+(n)为第n次载波周期正半周电路达到稳态后点c处的电压，vd+(n)为第n次载波周期正半周电路达到稳态后点d处的电压，q1+(n)第n个周期的正半周结束时c1上存储的电荷，q2+(n)第n个周期的正半周结束时c2上存储的电荷，q3+(n)第n个周期的正半周结束时第一参考电容c3上存储的电荷，q4+(n)第n个周期的正半周结束时第二参考电容c4上存储的电荷。

在方波第n个周期的负半周期，第一模拟开关s1、第三模拟开关s3闭合，第二模拟开关s2、第四模拟开关s4断开，则差分检测电容c1、c2，第一参考电容c3、第二参考电容c4上此时的电荷量分别等于第n个载波正半周期结束时各电容的电荷量。考虑第一模拟开关s1、第三模拟开关s3导通后的稳态，电容c1与第一参考电容c3，电容c2与第二参考电容c4组成闭合回路，电荷和电压可以表示为：

式(a2)中，q1-(n)为第n个载波负半周期结束时电容c1上存储的电荷量，q2-(n)为第n个载波负半周期结束时电容c2上存储的电荷量，q3-(n)为第n个载波负半周期结束时第一参考电容c3上存储的电荷量，q4-(n)为第n个载波负半周期结束时第二参考电容c4上存储的电荷量，va-(n)为第n次载波周期负半周电路达到稳态后点a处的电压，vb-(n)为第n次载波周期负半周电路达到稳态后点b处的电压，vc-(n)为第n次载波周期负半周电路达到稳态后点c处的电压，vd-(n)为第n次载波周期负半周电路达到稳态后点d处的电压，q1+(n)第n个周期的正半周结束时c1上存储的电荷，q2+(n)第n个周期的正半周结束时c2上存储的电荷，q3+(n)第n个周期的正半周结束时第一参考电容c3上存储的电荷，q4+(n)第n个周期的正半周结束时第二参考电容c4上存储的电荷。

通过对公式a1与公式a2的迭代计算分析可得出：

q为等比序列的公比，且有

因此，考虑该等比序列的初始值。n＝1时，在正半周期，各电容上的初始电荷量均为0，则有：

式(a6)中，q1+(1)为第1个载波负半周期结束时电容c1上存储的电荷量，q2+(1)为第1个载波负半周期结束时电容c2存储的电荷量，q3+(1)第1个周期的正半周结束时第一参考电容c3上存储的电荷，q4+(1)第1个周期的正半周结束时第二参考电容c4上存储的电荷。q1(0)为施加载波之前第一参考电容c3上存储的电荷量，q4(0)为施加载波之前第二参考电容c4上存储的电荷量，va+(1)为第1次载波周期正半周电路达到稳态后点a处的电压，vb+(1)为第1次载波周期正半周电路达到稳态后点b处的电压，vc+(1)为第1次载波周期正半周电路达到稳态后点c处的电压，vd+(1)为第1次载波周期正半周电路达到稳态后点d处的电压。

根据上式求得：

同理，n＝2时，可求得：

故：

由于vb+(3)-vb+(2)、……vb+(n+1)-vb+(n)成等比数列，其前n项之和为：

则

根据式a(10)与式a(11)，对于差分检测电容与参考电容初始电荷量为0的初始状态，经过多个方波周期，当n→+∞时，方波正半周第一参考电容c3上电压为：

式(12)中，vb+(+∞)为方波正半周第一参考电容c3上电压稳定后的电压值。

方波负半周第一参考电容c3上的电压稳定后的值为：

式(13)中，vb-(+∞)为方波负半周第一参考电容c3上电压稳定后的电压值。

同理，可以得出第二参考电容c4上电压稳定后的值为：

式(14)中，vd+(+∞)为方波正半周c4上电压稳定后的电压值，vd-(+∞)为方波负半周第二参考电容c4上电压稳定后的电压值。

因此，当第一参考电容c3、第二参考电容c4上电压稳定时，差分放大器的输出为：

将c1＝c0+δc、c2＝c0-δc代入上式可得：

式中，vout为差分放大器输出电压信号。

通常取得δc<<c0<<c，则上式可化简为：

式(17)中，vout为差分放大器输出电压信号。

即当差分电容c1、c2变化量为δc时，该检测电路的输出电压信号为vout，其值与差分电容的变化量δc成正比，从而根据差分运算放大器输出电压大小可以得到硅微陀螺仪的差分电容变化量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。