[发明专利]抵消由传感器电路贡献的乱真力的用于换能器前端的使用单一放大器的线性电容－电压转换器

说明书

技术领域

本专利涉及电容换能器，更具体地，涉及用于使用较少电路减小或消除起因于电容换能器中的乱真电容（spurious capacitance）和残留静电力的非线性的技术。

背景技术

换能器将一般物理量（例如，加速度、压力等）转换为可以由电子电路处理的量。具体地，响应于测量的输入信号的量值，电容换能器产生电容的变化。用于电容换能器的读出电路将由换能器产生电容变化变换为电信号。在该过程中，电路向换能器电极施加电压波形。

电容加速度计是用于测量加速度的电容换能器，包括机械感测元件和读出电路。图1示出了电容加速度计的机械感测元件100的示例性实施例。在这个实施例中，机械感测元件100包括悬挂在第一弹簧104与第二弹簧106之间的检测质量块102、第一电极110和第二电极112。质量块102的近端耦合到第一弹簧104，质量块102的远端耦合到第二弹簧106。第一弹簧104具有两端，第一端耦合到质量块102的近端，第二端耦合到基底。第二弹簧106具有两端；第一端耦合到质量块102的远端，第二端耦合到基底。公共电极M耦合到质量块102，并随质量块102一起相对于基底移动。第一和第二电极110、112相对于基底固定。在这个实施例中，将正参考电压V_S施加到第一电极110，将负参考电压-V_S施加到第二电极112。在第一电极110与公共电极M之间形成第一可变电容器C₁，在第二电极112与公共电极M之间形成第二可变电容器C₂。

在这个实施例中，当系统静止时，在第一电极110与公共电极M之间和在第二电极112与公共电极M之间存在基本上相等的额定间隙g₀，在第一可变电容器C₁与第二可变电容器C₂中产生了基本上相等的电容。输入加速度将质量块102相对于基底移动，这改变了在电极之间的间隙，并改变了可变电容C₁、C₂的电容。在箭头120方向上的加速度使质量块102偏斜距离Δx，该距离与输入加速度成比例。质量块102的这个移动将在第一电极110与公共电极M之间的距离增大到g₀+Δx，并将第二电极112与公共电极M之间的距离减小到g₀-Δx，这改变了电容器C₁和C₂的电容。可变电容C₁和C₂的电容C可以由以下确定：

C1/2=ϵ0Ag0±Δx---(1)]]>

其中，ε₀是电介质介电常数，A是电容板的面积（其延伸到纸面中），g₀是额定间隙，Δx是起因于加速度的位移。读出电路基于电容器C₁和C₂的电容变化，确定Δx的值。

加速度计常常在严苛的充斥振动的环境中实现，例如自动化或工业环境。在这些环境中，加速度计通常需要良好的线性、低漂移性能和大的满标度量程。常常选择自平衡加速度计用于这些应用。自平衡加速度计测量(C₁-C₂)/(C₁+C₂)。

图2是自平衡电容桥200的示例性实施例的示意图。图2中所示的开关电容器实现方式的优点是输入的直接DC偏置，而无需高电阻路径，以及对过程和温度的稳定且定义明确的传递函数。还提供了离散时间输出信号，其可以由模数转换器（ADC）直接数字化。图2显示了自平衡桥的单端实施例。