五电极微机械加速度计数字闭环控制电路及其接口电路以及五电极微机械加速度计系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于MEMS惯性器件领域，具体涉及一种五电极微机械加速度计数字闭环 控制电路及其接口电路以及五电极微机械加速度计系统。
【背景技术】
[0002] 微机械加速度计结合了MEMS工艺和1C工艺的技术优势，具有体积小、功耗小、成 本低等特点，在民用和军事应用中均具有巨大潜力，已成为各国研宄机构或公司的研宄热 点。其中电容式微加速度计由于低功耗、高灵敏度、结构简单、温度敏感性低等优点而逐渐 成为微加速度计研宄的主流。
[0003] 加速度计可以工作在开环状态或者闭环状态。开环工作状态下，加速度计的输出 由动极板的位移和位移检测电路决定，但动极板偏离平衡位置会使输出存在非线性。闭环 工作状态下，由输出决定的反馈力被加载到加速度计敏感结构上，使动极板回到平衡位置， 加速度计克服位移引起的非线性影响。闭环工作的加速度计的输出与需要保持动极板在平 衡位置的静电力成正比，对敏感结构和电路的工艺偏差也更不敏感。
[0004] 现有技术中通常采用高阶2-△微加速度计结构，实现了低噪声数字输出微机械 加速度计系统。但系统的输出仍与动极板的位移直接相关，存在较大的非线性，对敏感结构 和电路的工艺偏差非常敏感。
【发明内容】
[0005] 综上所述，确有必要提供一种可以使动极板保持在平衡位置且对敏感结构和电路 的工艺偏差不敏感的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路及其接口电路，以及采用该 数字闭环控制电路的五电极微机械加速度计系统。
[0006] 一种五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其包括：
[0007] 电容读出前端电路，用于检测所述五电极微机械加速度计的检测极板间差分电 容，并转换为成比例的电压信号；
[0008] 控制器，接收所述电容读出前端电路输出的电压信号，并调节以改变所述五电极 微机械加速度计和数字闭环控制电路组成的系统的开环传递函数，保证该系统的稳定性和 动态性能，该控制器包括一积分器，该积分器用于使低频区域输入为零的所述电压信号输 出不为零；
[0009] 2-A调制器，用于将所述控制器输出的信号转换成位流信号，并提供数字输出， 以及
[0010] 反馈电压产生电路，包括检测电路和反馈电路，所述检测电路给所述五电极微机 械加速度计的检测极板施加所述位流信号产生的载波，所述反馈电路根据所述位流信号产 生的反馈信号作用于所述五电极微机械加速度计的反馈极板以及动极板上并产生反馈静 电力，使所述五电极微机械加速度计的动极板处于平衡位置。
[0011] -种五电极微机械加速度计接口电路，其包括时钟产生电路、参考电压产生电路、 偏置电流产生电路以及所述数字闭环控制电路，其中，所述时钟产生电路为所述电容读出 前端电路、控制器、2-A调制器以及反馈电压产生电路提供时钟信号，所述参考电压产生 电路为所述电容读出前端电路、控制器、2-△调制器以及反馈电压产生电路提供参考电 压，所述偏置电流产生电路为所述电容读出前端电路、控制器以及2-△调制器提供偏置 电流。
[0012] 一种五电极微机械加速度计系统，包括五电极微机械加速度计以及所述五电极微 机械加速度计接口电路。
[0013] 相对于现有技术，本发明通过使用包含积分器的控制器来实现所述五电极微机械 加速度计数字闭环控制电路，采用该控制器可以使在低频区域所述电容读出前端电路输出 的电压信号为零时，该数字闭环控制电路的输出信号仍然不为零，即可以很好地控制所述 五电极微机械加速度计的动极板即使在有加速度信号输入的情况下仍然能保持在平衡位 置，从而克服了动极板位移造成的非线性。此外，该数字闭环控制电路对加速度计的敏感结 构和电路的工艺偏差不敏感，从而有效地提高了所述五电极微机械加速度计系统的稳定性 和动态性能，且适于大批量生产。
【附图说明】
[0014]图1是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计系统的功能框图。
[0015] 图2是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计的结构示意图。
[0016] 图3是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计接口电路的功能框图。
[0017] 图4是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路的功能框 图。
[0018] 图5是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计系统的功能模块连接框图。
[0019] 图6是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计数字闭环电路中电容读出前 端电路的原理图。
[0020] 图7是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计数字闭环电路中采用全差分 开关电容积分器作为控制器的电路原理图。
[0021] 图8是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计数字闭环电路工作所述的主 时钟、第一时钟相、第二时钟相以及控制器中斩波电路不交迭时钟的时序图。
[0022] 图9是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计数字闭环电路中采用单端控 制器作为控制器的电路原理图。
[0023]图10是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计数字闭环电路中单端转差分 电路的电路原理图。
[0024] 图11是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计数字闭环电路中2-A调制 器的功能模块连接框图。
[0025] 图12是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计数字闭环电路的工作时序 图。
[0026]图13是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计系统的开环传递函数波特 图。
[0027] 主要元件符号说明
[0028] 五电极微机械加速度计系统 100
[0029] 五电极微机械加速度计 10
[0030] 敏感质量块、动极板 12
[0031]梁 14
[0032] 检测上极板 15
[0033] 检测下极板 16
[0034] 反馈上极板 17
[0035] 反馈下极板 18
[0036] 接口电路 20
[0037] 数字闭环控制电路 30
[0038] 电容读出前端电路 32
[0039] 控制器 34
[0040] 带斩波电路的全差分开关电容积分器 34a，34b
[0041]斩波电路 342,342'
[0042] 2-A调制器 36
[0043] 第一级积分器 362
[0044] 第二级积分器 364
[0045] 第三级积分器 366
[0046] 量化器 368
[0047] 电压反馈产生电路 38
[0048] 检测电路 382
[0049] 反馈电路 384
[0050] 时钟产生电路 40
[0051] 参考电压产生电路 42
[0052] 偏置电流产生电路 44
[0053] 如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
【具体实施方式】
[0054] 以下将结合附图详细说明本发明提供的五电极微机械加速度计数字闭环控制电 路及其接口电路以及五电极微机械加速度计系统。
[0055] 请参阅图1，本发明实施例首先提供一种五电极微机械加速度计系统100,该五电 极微机械加速度计系统100包括五电极微机械加速度计10以及与该五电极微机械加速度 计10连接的接口电路20,该接口电路20可获取输入到所述五电极微机械加速度计10的加 速度信息，并产生载波和反馈信号加载到五电极微机械加速度计10。
[0056] 请参阅图2,所述五电极微机械加速度计10为一电容式加速度计，其包括敏感质 量块12、梁14、检测上极板15、检测下极板16、反馈上极板17以及反馈下极板18。所述五 电极微机械加速度计10包括两根所述梁14连接在所述敏感质量块12沿敏感方向上的两 端。当外界输入加速度时，所述敏感质量块12会沿所述敏感方向运动，该敏感质量块12可 引出电极作为该五电极微机械加速度计10的动极板（中间极板）。所述检测上极板15、检 测下极板16、反馈上极板17以及反馈下极板18为定极板。本发明实施例中为简化说明，采 用标号12同时表示所述动极板。所述动极板12在所述外界输入加速度的作用下，相对于 固定不动的检测上极板15、检测下极板16、反馈上极板17以及反馈下极板18会产生位移， 从而所述定极板与动极板之间的差分电容会发生变化，进而来检测外界输入的加速度的大 小。电容式的五电极加速度计均适用于本发明。本发明实施例中，所述五电极微机械加速 度计10为梳齿电容式加速度计。该梳齿电容式加速度计的所述敏感质量块12沿敏感方向 的两边设置有多对动梳齿，可随所述敏感质量块运动。所述检测上极板15、检测下极板16、 反馈上极板17以及反馈下极板18也均沿敏感方向可设置一对或多对定梳齿。
[0057] 请参阅图3，所述接口电路20包括数字闭环控制电路30、时钟产生电路40、参考电 压产生电路42以及偏置电流产生电路44。所述接口电路20通过所述数字闭环控制电路 30连接于所述五电极微机械加速度计10，所述时钟产生电路40、参考电压产生电路42以及 偏置电流产生电路44分别为所述数字闭环控制电路30工作提供所需的时钟信号、参考电 压以及偏置电流。
[0058] 请一并参阅图3-5,所述数字闭环控制电路30包括依次连接的电容前端读出电路 32、控制器34、2-A调制器调制器36以及反馈电压产生电路38。
[0059] 所述五电极微机械加速度计10的检测极板与动极板间产生的差分电容输入到所 述电容读出前端电路32中，并被该电容读出前端电路32转化为与该