[发明专利]具有模拟复位的电容式微机械传感器的工作方法和电路结构

说明书

技术领域

本发明涉及具有至少一个差动电容器的电容式微机械传感器的工作方法，该差动电容器包括两个固定电极和可移动中心电极，并且对固定电极和中心电极施加大小相等但极性相反的激励电压，其中，中心电极布置在两个固定电极之间且以弹性方式悬置，以及可通过外力使中心电极偏转并测量偏转量。本发明还涉及用于使上述微机械传感器工作的电路结构。 

术语微机械传感器(也称作MEMS传感器)表示微机械加速器、微机械转率(rate of rotation)传感器和具有梳状驱动器(comb drive)的微机械传感器。 

微机械传感器的基本变形体包括差动电容器，差动电容器的中心电极以弹性方式悬置并因而通过偏转量(deflection)来反映作用于其上的力。利用原理上已知的相应的电路测量手段来测量该偏转量。在复位系统(闭环结构)的情况下，将测量值提供给控制器，该控制器改变作用在差动电容器的板上的静电力，从而使得外部加速力(acceleration force)得到补偿。将该操作称为复位。如果中心电极的偏转量变为“0”，则该复位是理想的。 

本发明旨在大大改善MEMS传感器的精确度。 

本发明首先基于如下知识：各自对差动电容器的中心电极的偏转量产生作用的力由(外部)加速力和(内部)静电力(恢复力)构成。 

基于该知识，在开始提及的一般类型的电容式微机械传感器的工作方法中，本发明一方面涉及对被称作“复位串扰(resetcrosstalk)”的如下分量进行补偿，该分量与静电恢复力相对应并且被叠加在读出信号(测量值)上。 

基于用于使实质上由至少一个差动电容器构成的微机械传感器工作的结构，其中，差动电容器具有两个固定电极和中心电极，中心电极以弹性方式可动地悬置于两个固定电极之间并能够因外力而偏转，该结构具有用于向两个固定电极施加各自的极性相反的激励电压的部件以及用于以测量值的形式输出中心电极在力发生作用时的偏转量的部件，本发明另一方面的特征在于用于对该测量值(读出信号)的畸变(distortion)进行补偿的装置，其中该畸变被称作“复位串扰”。 

在上述工作方法的一个优选实施例中，将与复位串扰相对应的信号与来自电容式微机械传感器的基本结构的输出信号相加，并且以读出信号的形式提供相加的结果，其中，读出信号表示中心电极的偏转量。在优选的传感器闭环操作期间，该读出信号还经由控制器影响复位串扰信号，使得恢复力的结果电容量以补偿的方式抵消中心电极的偏转量。 

为了防止来自传感器结构的读出信号漂移，根据确定地或随机地极性反转方法来使施加至固定电极的激励电压的极性连续地反转是有利的。 

根据本发明，用于使开始提及的一般类型的微机械传感器工作的创造性电路结构的特征在于用于对测量值的畸变进行补偿的装置，其中该畸变被称作复位串扰。例如，在输出来自的传感器的测量值的情况下，尤其是在以电压值的形式输出来自传感器的测量值的情况下，提供将与复位串扰相对应的复位电压值与由传感器的基本结构所提供的输出电压值相加的总和是 有利的。在这种情况中，可以设置控制器，将已不受复位串扰影响的读出信号施加到该控制器的输入，并且该控制器在中心电极偏转的情况下调节复位电压值，以使得因此所产生的电容恢复力与中心电极的偏转量相抵消。 

控制器可以是各自具有频率相关增益的比例控制器(proportional controller，P型控制器)或比例积分控制器(proportional-integral controller，PI型控制器)。由具有复反馈通道(complex feedback path)的运算放大器构成PI型控制器是有利的，该复反馈通道由非电抗性电阻器与电容器串联构成。如果如上所述进行了配置以通过确定地或随机地使差动电容器的固定电极的激励电压的极性反转来防止读出信号的漂移，则PI型控制器的复反馈阻抗中的电容的极性也能够以相应的方式反转。 

附图说明

下面将特别使用多个示例性实施例来更详细地说明本发明。在附图中： 

图1示出具有差动电容器的电容式MEMS传感器的第一基本电路，其中，基准电容器C可由根据图1a并联连接的两个可变电容构成； 

图2示出用于使具有差动电容器的MEMS传感器工作的、根据图1的基本电路的变形例； 

图3示出用于说明根据本发明对所谓的复位串扰进行补偿的基本框图； 

图4示出用于对复位串扰进行补偿的第一实施例变形例，当根据图3实现其结构时使用图1中的基本电路来例示；