自平衡式变面积阵列电容位移检测装置及方法与流程

本发明属于mems传感技术领域，更具体地，涉及一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置及方法。

背景技术：

mems(microelectromechanicalsystems)传感器就是使用微电子技术加工制造的传感器，具有体积小、重量轻、能耗低等优点。

mems阵列电容传感结构是典型的“三明治式”结构。通过上盖、下盖、弹簧振子膜片的封装，在弹簧振子质量块与上盖板之间形成阵列电容结构，振子质量块在敏感轴方向上的移动，形成变面积式电容设计。外界检测目标的变化转化为质量块与外框参考系的相对位置变化，完成从检测到位移δx的传感。δx到电容δc通过电容结构部分的设计来完成，最后通过电容检测电路实现目标传感。

阵列电容极板是在检验质量敏感轴方向上布上很多的电容极板，电容极板通过溅射沉积或者机械加工而成。固定极板阵列和检验质量上的运动极板阵列均具有相同的周期，并沿检验质量运动的敏感方向排列。检验质量在检测目标的作用下沿着敏感方向运动，引起电容阵列之间的相对移动并改变阵列的正对面积，从而引起电容的变化。采用n组变面积差分式电容组合，相对于单组差分电容输出放大n倍。

mems阵列电容传感器在阵列输出通过阵列传感电路后，需要对阵列极板进行闭环的反馈控制，从而使得mems传感器具有更好的工作性能，而在工作时，阵列极板的初始姿态不同，阵列电容极板就会处在不同阵列区间。每个阵列区间都有与其对应的平衡点。闭环反馈控制的目的就是控制阵列电容极板处于平衡点位置。而相邻阵列电容的极性相反，所以，电容极板的初始姿态变化导致的这种跨阵列区间行为必然导致反馈状态的改变。也就是说，一个初始姿态阵列区间的平衡点与反馈执行机形成的是负反馈，那么其相邻阵列区间的平衡点与反馈执行机形成的就是正反馈；反之亦然。

目前所存在的问题是，电容阵列极板的初始姿态变化导致的这种跨阵列区间行为必然导致反馈状态的改变。若不进行对变面积式mems阵列电容的区间进行检测和平衡控制，mems阵列电容传感器将不能正常工作。

技术实现要素：

针对现有mems阵列电容传感结构的缺陷或改进需求，本发明提供了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置及方法，能够有效解决变面积阵列电容传感器的阵列极板平衡位置的自诊断和自校正问题，同时在保留原有电路结构情况下，使电路结构尽量简单。

本发明提供了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置，包括：位移检测单元、弱信号调理电路、解调电路、低通电路、控制电路、反馈执行机、反馈电流矢量控制电路、载波及解调波发生电路和反馈检测电路；弱信号调理电路的输入端连接至所述位移检测单元的输出端，解调电路的第一输入端连接至弱信号调理电路的输出端，解调电路的第二输入端连接至载波及解调波发生电路的输出端，低通电路的输入端连接至解调电路的输出端，控制电路的输入端连接至所述低通电路的输出端，控制电路的输出端作为所述电容位移检测装置的输出端；反馈检测电路的输入端连接至低通电路的输出端，反馈电流矢量控制电路的第一输入端连接至所述控制电路的输出端，反馈电流矢量控制电路的第二输入端连接至反馈检测电路的输出端，反馈执行机的输入端连接至反馈电流矢量控制电路的输出端，反馈执行机的输出端连接至位移检测单元的第一输入端；位移检测单元的第二输入端连接至载波及解调波发生电路的输出端；

位移检测单元为弹簧振子结构，反馈检测电路用于判断在当前阵列电容极性下的电路反馈状态；载波及解调波发生电路用于生成对位移检测单元进行调制的载波调制信号和生成用于解调电路所需要的解调信号；所述解调电路用于对弱信号调理电路所输出的信号进行解调；反馈电流矢量控制电路用于控制由控制电路所生成的反馈电流的矢量；反馈执行机用于在负反馈状态下控制弹簧振子工作在当前阵列周期的平衡位置。

本发明还提供了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置，包括：位移检测单元、弱信号调理电路、解调电路、低通电路、控制电路、反馈执行机、载波矢量控制电路、载波及解调波发生电路、和反馈检测电路；弱信号调理电路的输入端连接至所述位移检测单元的输出端，解调电路的第一输入端连接至弱信号调理电路的输出端，解调电路的第二输入端连接至载波及解调波发生电路的输出端，低通电路的输入端连接至所述解调电路的输出端，控制电路的输入端连接至所述低通电路的输出端，所述控制电路的输出端作为所述电容位移检测装置的输出端；反馈执行机的输入端连接至所述控制电路的输出端，反馈执行机的输出端连接至所述位移检测单元的第一输入端；反馈检测电路的输入端连接至所述低通电路的输出端，所述载波矢量控制电路的第一输入端连接至所述载波及解调波发生电路的输出端，载波矢量控制电路的第二输入端连接至所述反馈检测电路的输出端，所述载波矢量控制电路的输出端连接至所述位移检测单元的第二输入端；位移检测单元为弹簧振子结构，反馈执行机用于执行控制电路所输出的反馈控制电流；所述载波及解调波发生电路用于生成对位移检测单元进行调制的载波调制信号和生成用于解调电路所需要的解调信号；所述反馈检测电路用于判断在当前阵列电容极性下的电路反馈状态；所述载波矢量控制电路用于对载波及解调波发生电路生成的对位移检测单元进行调制的载波调制信号的矢量控制。

本发明提供了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置，包括：位移检测单元、弱信号调理电路、解调电路、低通电路、控制电路、反馈执行机、载波及解调波发生电路、解调波矢量控制电路和反馈检测电路；所述弱信号调理电路的输入端连接至所述位移检测单元的输出端，所述解调电路的第一输入端连接至的输出端，所述解调电路的第二输入端连接至解调波矢量控制电路的输出端，所述低通电路的输入端连接至所述解调电路的输出端，所述控制电路的输入端连接至所述低通电路的输出端，所述控制电路的输出端作为所述电容位移检测装置的输出端；所述反馈执行机的输入端连接至所述控制电路的输出端，所述反馈执行机的输出端连接至所述位移检测单元的第一输入端；所述反馈检测电路的输入端连接至所述低通电路的输出端，所述解调波矢量控制电路的第一输入端连接至所述载波及解调波发生电路的输出端，所述解调波矢量控制电路的第二输入端连接至反馈检测电路的输出端，所述载波及解调波发生电路的输出端连接至所述位移检测单元的第二输入端；所述位移检测单元为弹簧振子结构，所述解调电路用于对弱信号调理电路所输出的信号进行解调；所述载波及解调波发生电路用于生成对位移检测单元进行调制的载波调制信号和生成用于解调电路所需要的解调信号；所述解调波矢量控制电路用于将载波及解调波发生电路所生成的解调信号进行矢量控制；所述反馈检测电路用于判断在当前阵列电容极性下的电路反馈状态；所述反馈执行机用于在负反馈状态下控制弹簧振子工作在当前阵列周期的平衡位置。

更进一步地，当反馈检测电路判断在当前阵列电容极性下的电路反馈为正反馈时，则将正反馈转换为负反馈。

更进一步地，弹簧振子为“三明治式”结构，通过上盖、下盖、弹簧振子膜片的封装，在弹簧振子质量块与上盖板之间形成电容结构，振子质量块在敏感轴方向上移动，形成变面积式电容结构。

更进一步地，反馈执行机为电磁反馈式。

本发明还提供了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置的检测方法，包括下述步骤：

判断在当前阵列电容极性下的电路反馈状态；

当电路反馈状态为负反馈时，控制弹簧振子工作在当前阵列周期的平衡位置；当电路反馈状态为正反馈时，将其转换为负反馈。

更进一步地，将正反馈转换为负反馈的方式包括：

(1)通过控制载波反相来改变阵列电容极板的极性；

(2)通过控制解调波反相来改变信号调理电路输出极性；或

(3)通过控制反馈电流反向来改变反馈执行机的输出极性。

本发明提供了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置及方法，通过反馈检测电路对输出信号进行检测，从而实现阵列极板位置的自诊断，并通过反馈电流矢量控制电路、或载波矢量控制电路、或解调波矢量控制电路三种方式中的一种实现阵列极板位置的自平衡，这种方式不仅能够有效解决阵列电容极板阵列工作的稳定性，也在很大程度上放宽了电路测量的要求，同时，这种方法对原有电路模块改动较小，使得我们能够在原有的电路结构基础上，使得电路结构尽量简单，易于实施。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的自平衡式变面积阵列电容位移检测装置的结构框图；

图2是本发明第二实施例提供的自平衡式变面积阵列电容位移检测装置的结构框图；

图3是本发明第三实施例提供的自平衡式变面积阵列电容位移检测装置的结构框图；

图4是本发明实施例mems变面积阵列电容位移检测阵列电容结构示意图；

图5是本发明实施例mems变面积阵列电容位移检测处于正斜坡周期时的位置示意图；其中，(a)为变面积阵列电容极板处于正的斜坡周期时输出为负的示意图；(b)为变面积阵列电容极板处于正的斜坡周期时极板处于平衡位置的时候；(c)为变面积阵列电容极板处于正的斜坡周期时输出为正的示意图；(d)为变面积阵列电容极板处于正的斜坡周期时信号输出情况；

图6是本发明实施例mems变面积阵列电容位移检测处于负斜坡周期时的位置示意图；其中，(a)为变面积阵列电容极板处于负的斜坡周期时输出为正的示意图；(b)为变面积阵列电容极板处于负的斜坡周期时极板处于平衡位置的时候；(c)为变面积阵列电容极板处于负的斜坡周期时输出为负的示意图；(d)为变面积阵列电容极板处于负的斜坡周期时信号输出情况；

图7是本发明实施例mems变面积阵列电容位移检测电路矢量控制示意图；

图8是本发明实施例mems变面积阵列电容位移检测反馈检测电路示意图；

在所有附图中，x轴和y轴表示mems阵列极板平面，a表示敏感轴方向上所敏感的外界加速度的方向，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为位移检测单元，2为弱信号调理电路，3为解调电路，4为低通电路，5控制电路，6为反馈执行机，7为反馈电流矢量控制电路，8为载波矢量控制电路，9为载波及解调波发生电路，10为解调波矢量控制电路，11为反馈检测电路，12为阵列电容极板的上极板，13为阵列电容极板的下极板，14为阵列电容传感位于正的斜坡周期时的电流为负的时候极板位置，15为阵列电容传感位于正的斜坡周期时平衡位置的极板位置，16为阵列电容传感位于正的斜坡周期时的电流为正的时候极板位置，17为单个阵列斜坡内的磁反馈输出为正向的情况，18为阵列电容传感位于负的斜坡周期时的电流为正的时候极板位置，19为阵列电容传感位于负的斜坡周期时平衡位置的极板位置，20为阵列电容传感位于负的斜坡周期时的电流为负的时候极板位置，21为单个阵列斜坡内的磁反馈输出为负向的情况。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置及方法，能够通过反馈检测电路检测输出的极性，然后通过反馈电流矢量控制电路、或载波矢量控制电路、或解调波矢量控制电路调整输出的极性来有效解决变面积阵列电容传感器的阵列极板平衡位置的自诊断和自校正问题，同时在保留原有电路结构情况下，使电路结构尽量简单。

本发明提供了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测方法，包括：位移检测单元、弱信号调理电路、解调电路、低通电路、控制电路、反馈执行机、载波及解调波发生电路、反馈检测电路以及载波矢量控制电路、解调波矢量控制电路或者反馈电流矢量控制电路；mems高精度加速度计的位移检测单元在mems加速度计内部，属于弹簧振子结构，通过上盖、下盖、弹簧振子膜片的封装，在弹簧振子质量块与上盖板之间形成电容结构；弱信号调理电路、解调电路实现了阵列电容检测的开环电路；控制电路和反馈执行机实现了阵列电容检测电路的闭环电路，通过载波及解调波发生电路、反馈检测电路，并通过三种方式(载波矢量控制电路、解调波矢量控制电路或反馈电流矢量控制电路)中的一种实现了反馈平衡的控制。该电路能够有效解决变面积阵列电容传感器平衡位置的自诊断和自校正问题。

以下是mems弹簧振子加速度计为典型实例进一步说明。

传感器初始状态下，mems加速度计处在当前加速度环境中，阵列极板受到外界加速度与弹簧形变产生的弹力达到平衡，位移检测单元的阵列极板处于某一个阵列区间。闭环检测电路通过反馈检测电路判断在当前阵列电容极性下的电路反馈状态；如果是负反馈，则控制使弹簧振子工作在当前阵列周期的平衡位置；如果是正反馈，则采取三种方式之一把正反馈转换成负反馈。第一种，通过控制载波反相，改变阵列电容极板的极性；第二种，通过控制解调波反相，改变信号调理电路输出极性；第三种，通过控制反馈电流反向，改变反馈执行机的输出极性。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的自平衡式变面积阵列电容传感电路，现结合附图以及具体实例详述如下：

本发明第一实施例提供了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测电路的结构如图1所示；自平衡式变面积阵列电容位移检测电路包括：位移检测单元1、弱信号调理电路2、解调电路3、低通电路4、控制电路5、反馈执行机6、反馈电流矢量控制电路7、载波及解调波发生电路9、和反馈检测电路11。位移检测单元1通过引线键合的方式与弱信号调理电路2相连接，弱信号调理电路2分为前级放大电路和交流放大电路。解调电路3、低通滤波电路4、控制电路5、反馈执行机6、反馈电流矢量控制电路7、载波和解调波发生电路9和反馈检测电路11集成在一块电路板上面，并通过连接屏蔽线的方式与后端的采集电路相连接。

位移检测单元1在加速度作用下将外界加速度的变化转化为质量块与外框参考系的相对位置变化，完成从加速度δa到位移δx的传感。位移检测单元1结构示意图如图2所示，位移检测单元1中通过上盖、下盖、弹簧振子膜片的封装，在弹簧振子质量块与上盖板之间形成电容结构，振子质量块在敏感轴方向上的移动，形成变面积式阵列电容设计。敏感轴沿着y轴方向，敏感轴所敏感的加速度方向为a方向。

弱信号调理电路2由前级放大电路和交流放大电路组成，前级放大电路采用了电荷放大电路进行输出，将差分电流转换为电压的形式。交流放大电路是一个带通滤波模块，在电路中起到滤波，增益控制的作用。

解调电路3可以使用乘法解调方式以及开关乘法解调方式，模拟乘法解调相当于将信号与载波同源的解调波相乘，开关解调相当于信号与载波频率下的由比较器产生的方波相乘，使用正弦解调引入的解调因子为0.5，方波解调引入解调因子为2/π。

低通模块4采用典型的二阶有源低通滤波器。

控制控制模块5采用比例放大电路、积分电路、微分电路组合实现一个二阶的反馈控制电路。

反馈执行机6用于提供反馈平衡输入量，加速度计中，用以提供反馈加速度来平衡外界输入加速度，通过测量反馈加速度得知外界加速度，该实施例中使用的反馈方式为磁反馈方式，执行方式是电流在磁场中产生安培力。

反馈电流矢量控制电路7实现方式如图7所示，通过矢量控制电路切换反馈电流的相位，通过反馈检测电路11判断极板是否在该斜坡周期所在的平衡位置上，若不处于该斜坡周期所在平衡位置上，即切换反馈电流的相位。

载波及解调波发生电路9用于产生100khz的同源载波和解调波，载波产生电路为rc自激振荡电路，一路由乘法器切割，再经同相，反相器以后作为调制波，另一路经调相电路做解调波。

反馈检测电路11如图8所示，可以对前级的信号输出进行一个判断。若阵列极板所处斜坡位置是正向的斜坡位置17变成反向的斜坡位置18，那么反馈就变成了负反馈变成了正反馈，此时输出会出现超出测量范围的情况，这时候，检测电路可以检测到阵列极板不处于一个正确的平衡位置，进而通过载波矢量控制电路8及解调波矢量控制电路10或反馈电流矢量控制电路7来实现阵列极板姿态自平衡的一个控制。

本发明第二实施例还提供了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测电路的结构如图2所示；自平衡式变面积阵列电容位移检测电路包括：位移检测单元1、弱信号调理电路2、解调电路3、低通电路4、控制电路5、反馈执行机6、载波矢量控制电路8、载波及解调波发生电路9和反馈检测电路11。位移检测单元1通过引线键合的方式与弱信号调理电路2相连接，弱信号调理电路2分为前级放大电路和交流放大电路。解调电路3、低通滤波电路4、控制电路5、反馈执行机6、载波矢量控制电路8、载波和解调波发生电路9、反馈检测电路11集成在一块电路板上面，并通过连接屏蔽线的方式与后端的采集电路相连接。

载波矢量控制电路8用于对产生100khz的载波进行矢量控制，通过反相电路改变通过载波及解调波发生电路9产生的载波相位，对最终的输出进行矢量控制。

本发明第三实施例还提供了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测电路的结构如图3所示；自平衡式变面积阵列电容位移检测电路包括：位移检测单元1、弱信号调理电路2、解调电路3、低通电路4、控制电路5、反馈执行机6、载波及解调波发生电路9、解调波矢量控制电路10和反馈检测电路11。位移检测单元1通过引线键合的方式与弱信号调理电路2相连接，弱信号调理电路2分为前级放大电路和交流放大电路。解调电路3、低通滤波电路4、控制电路5、反馈执行机6、解调波矢量控制电路10、载波和解调波发生电路9、反馈检测电路11集成在一块电路板上面，并通过连接屏蔽线的方式与后端的采集电路相连接。

解调波矢量控制电路10用于将载波和解调波发生电路9中的解调波进行相位的矢量控制，通过反馈检测电路11来判断阵列极板是否处于正确的斜坡平衡位置，进而通过同相、反相器电路调节解调波的相位来对阵列极板进行负反馈控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。