电荷反馈MEMS电容式传感器接口集成电路系统

本发明涉及电荷反馈mems电容式传感器接口集成电路系统，属于加速度传感器领域。

背景技术：

1、mems电容式传感器是一种可以用来检测各类信号的传感器，它可以将多种物理信号转变为可测量的电信号，被广泛应用于汽车工业、地质勘探、航空航天以及消费电子产品中。

2、电容式传感器是应用最广泛的mems传感器。例如，微加速度计应用于汽车安全气囊上，可以通过瞬间的加速度变化来判断汽车是否发生安全事故，控制安全气囊的弹出，保护驾驶员和乘客的安全，在这一领域，对加速度计的量程要求往往较高，最高可达到±50g，线性度约2％，灵敏度在10mg以上；在消费电子产品中，加速度计被应用于摄像机的稳定、手机和游戏机中体感游戏的操控、个人电脑硬盘的保护、音乐播放器的播放和歌曲切换等，此时量程往往为±1g即可。

3、电容式传感器分为两部分组成，一般为敏感结构单元与后级接口电路。敏感结构单元负责把输入的物理信号转变为便于电路检测的电学信号。对于电容式敏感结构来说，是把输入的物理信号转变为微小的差分电容变化，进而转换为电荷的变化。接口电路则是将差分电容的变化进行检测，并转变为更易于处理的电学量的变化，并将之以一定的比例放大，便于获得更加直观的物理信号，放大的比例也称之为传感器的灵敏度。两者共同决定了电容式传感器的精度等性能。

4、随着mems工艺水平的提升，敏感结构的精度和稳定性都有了很大提升，也得到了广泛应用，因此，对于后级接口电路的性能要求也在不断提升，结构更加合理，设计更加巧妙的电路结构也成为了加速度计领域的关注重点。所以对电容式传感器接口电路进行研究与设计是十分有必要的。

技术实现思路

1、针对现有电容式传感器的后级接口电路稳定性差的问题，本发明提供一种电荷反馈mems电容式传感器接口集成电路系统。

2、本发明的一种电荷反馈mems电容式传感器接口集成电路系统，包括，

3、采用时钟信号产生模块产生设定频率时钟信号输出给时序电路控制模块和驱动信号产生模块；

4、驱动信号产生模块根据设定频率时钟信号产生驱动方波信号施加到mems敏感机械结构和电荷放大器模块上，mems敏感机械结构根据接收的待测信号产生电容变化，并输出待测电压信号至电荷放大器模块；电荷放大器模块同时接收比例放大模块输出的模拟电压信号作为反馈信号；

5、时序电路控制模块根据设定频率时钟信号产生控制电荷放大器模块和相关双采样模块的开关控制信号，使电荷放大器模块具备电荷泄放复位相位、电荷采样相位和反馈相位；在电荷泄放复位相位下，相关双采样模块对电荷放大器模块输出的噪声进行采样；在电荷采样相位和反馈相位下，相关双采样模块对电荷放大器模块输出的待测信号和反馈信号分别进行采样；

6、通过开关控制使比例放大模块具备不同的比例放大倍数，并将相关双采样模块输出的采样信号进行比例放大，得到电荷放大器模块三种相位下的模拟电压信号。

7、根据本发明的电荷反馈mems电容式传感器接口集成电路系统，比例放大模块的开关控制信号通过控制单元输出，并通过spi通讯模块传递至比例放大模块的放大倍数控制信号输入端。

8、根据本发明的电荷反馈mems电容式传感器接口集成电路系统，比例放大模块输出的模拟电压信号经模数转换模块转换为数字电压信号后，经spi通讯模块传递至控制单元；

9、所述模数转换模块在时序电路控制模块根据设定频率时钟信号产生的ad控制信号的控制下，对输入的模拟电压信号进行转换。

10、根据本发明的电荷反馈mems电容式传感器接口集成电路系统，采用电压基准模块为电荷放大器模块、相关双采样模块、比例放大模块和模数转换模块提供2.5v的低温漂稳定电压；

11、采用电压基准模块为驱动信号产生模块提供2.5v和5v高低压基准信号。

12、根据本发明的电荷反馈mems电容式传感器接口集成电路系统，电荷放大器模块包括运放a1、开关s1、开关s2、开关s3、开关s4、开关s5、开关s6、开关s7、开关s8、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5和电容c6；mems敏感机械结构包括可变电容器cs1和可变电容器cs2；

13、mems敏感机械结构与电荷放大器模块的连接关系为：

14、驱动信号产生模块产生的驱动方波信号vs正极通过开关s2连接电容c2的一端，电容c2的另一端连接运放a1的负输入端，驱动信号产生模块产生的驱动方波信号vs负极通过开关s1连接电容c1的一端，电容c1的另一端连接运放a1的正输入端；

15、所述驱动方波信号vs正极通过开关s8连接可变电容器cs2的可移动电极，可变电容器cs2的固定电极连接运放a1的负输入端；驱动方波信号vs负极通过开关s7连接可变电容器cs1的可移动电极，可变电容器cs1的固定电极连接运放a1的正输入端；

16、运放a1的正输入端与运放a1的负输出端voutn之间依次连接电容c3和开关s3，运放a1的负输入端与运放a1的正输出端voutp之间依次连接电容c4和开关s4；运放a1的负输出端voutn作为电荷放大器模块的输出负端，运放a1的正输出端voutp作为电荷放大器模块的输出正端；

17、运放a1的正输入端经电容c5连接开关s5的一端，开关s5的另一端作为反馈信号输入正端vfbp；运放a1的负输入端经电容c6连接开关s6的一端，开关s6的另一端作为反馈信号输入负端vfbn。

18、根据本发明的电荷反馈mems电容式传感器接口集成电路系统，电荷放大器模块在电荷泄放复位相位、电荷采样相位和反馈相位下对应的开关控制为：

19、根据设定频率时钟信号产生开关控制信号，使开关s1至开关s8均断开，电荷放大器模块处于电荷泄放复位相位，实现模块内各节点的电荷对外泄放；

20、使开关s2、开关s7、开关s3和开关s4闭合，其它开关断开，电荷放大器模块处于电荷采样相位，对mems敏感机械结构输出的待测电压信号进行采样；

21、使开关s1、开关s8、开关s5和开关s6闭合，其它开关断开，电荷放大器模块处于反馈相位，比例放大模块输出的模拟电压信号通过电荷反馈方式反馈到电荷放大器模块，实现电学反馈。

22、根据本发明的电荷反馈mems电容式传感器接口集成电路系统，相关双采样模块包括电容c9、电容c10、电容c11、电容c12、开关s9、开关s10、开关s11和开关s12；

23、电容c9的一端作为相关双采样模块的输入负端inn，电容c9的另一端连接开关s9的一端，开关s9的另一端作为相关双采样模块的输出负端outn；电容c10的一端作为相关双采样模块的输入正端inp，电容c10的另一端连接开关s10的一端，开关s10的另一端作为相关双采样模块的输出正端outp；

24、电容c9的另一端与地电压之间连接开关s11，地电压与输出负端outn之间连接电容c11；电容c10的另一端与地电压之间连接开关s12，地电压与输出正端outp之间连接电容c12。

25、根据本发明的电荷反馈mems电容式传感器接口集成电路系统，相关双采样模块的开关控制为：

26、在电荷放大器模块的电荷泄放复位相位，根据设定频率时钟信号产生开关控制信号，使开关s11和开关s12闭合而开关s9和开关s10断开，相关双采样模块对电荷放大器模块输出的噪声进行采样，并以电荷的方式保存在电容c9和电容c10上；

27、在电荷放大器模块的电荷采样相位和反馈相位，开关s11和开关s12断开而开关s9和开关s10闭合，对电荷放大器模块的整体输出进行采样。

28、根据本发明的电荷反馈mems电容式传感器接口集成电路系统，比例放大模块包括电阻r0、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、开关s13、开关s14、开关s15、开关s16、开关s17、开关s18、相同的运放a2与运放a3；

29、运放a2的正输入端作为比例放大模块的负输入端inn，运放a2的输出端作为比例放大模块的负输出端outn；运放a2的负输入端与输出端之间依次连接开关s13、电阻r1、电阻r2和电阻r3；开关s14的一端连接运放a2的负输入端，开关s14的另一端连接在电阻r1和电阻r2之间；开关s15的一端连接运放a2的负输入端，开关s15的另一端连接在电阻r2和电阻r3之间；

30、运放a3的正输入端作为比例放大模块的正输入端inp，运放a3的输出端作为比例放大模块的正输出端outp；运放a3的负输入端与输出端之间依次连接开关s16、电阻r4、电阻r5和电阻r6，开关s17的一端连接运放a3的负输入端，开关s17的另一端连接在电阻r4和电阻r5之间，开关s18的一端连接运放a3的负输入端，开关s18的另一端连接在电阻r5和电阻r6之间；

31、开关s13和开关s16之间连接电阻r0。

32、根据本发明的电荷反馈mems电容式传感器接口集成电路系统，比例放大模块的开关控制方法为：

33、使开关s13和开关s16闭合，开关s14、开关s15、开关s17和开关s18断开，比例放大模块具备最大放大倍数；

34、使开关s14和开关s17闭合，开关s13、开关s15、开关s16和开关s18断开，比例放大模块具备中等放大倍数；

35、使开关s15和开关s18闭合，开关s13、开关s14、开关s16和开关s17断开，比例放大模块具备中间放小倍数。

36、本发明的有益效果：本发明系统采用离散时序进行工作，待测信号通过mems敏感机械结构转变为极板电容差值，通过驱动信号调制并经过电荷放大器模块将极板电容差值转换为电压信号，再通过相关双采样模块降低电路引入噪声，利用比例放大模块对信号进一步放大得到模拟输出。

37、本发明系统采用离散时间检测方法，配合相关双采样技术来提高系统检测的信噪比，同时利用离散时间的多相位工作状态以电学闭环的方式实现系统的反馈，在提高系统分辨率的同时增加了系统线性度。本发明系统采用电学闭环反馈技术，通过电荷平衡来实现负反馈，不需要进行稳定性补偿，又在一定程度上保证了电路精度和线性度。