[发明专利]一种全差分力平衡模式MEMS加速度传感器信号处理电路

说明书

本发明公开了一种全差分力平衡模式MEMS加速度传感器信号处理电路，包括全差分开关电容电路、采样保持电路、仪表放大器、多相时钟电路、参考源电路，全差分开关电容电路对MEMS变化电容进行检测，输出差分信号经过采样保持电路，连接到仪表放大器，并通过仪表放大器把差分信号转换为单端输出信号。本发明的加速度传感器信号处理电路能实现高精度、低噪声的电压输出；本发明设计的加速度传感器信号处理电路工作在力平衡的二阶模拟闭环系统，可以将前端检测电路输出电压转换为静电力反馈给中间极板，使得质量块保持在平衡位置附近振动，具有很高的灵敏度。

技术领域

本发明属于MEMS传感器设计领域，具体涉及了一种全差分力平衡模式MEMS加速度传感器信号处理电路。。

背景技术

对于MEMS电容式加速度传感器，由于等效电容通常在10E-12F量级，甚至更小，而敏感电容的变化量则在10E-15-10E-18F量级，因此ASIC接口电路需处理的信号非常微弱，所以低噪声、抗干扰能力强的前微弱信号检测电路是MEMS电容式加速度传感器的关键技术之一。

从检测端数来分，前端检测电路分为单端检测和差分检测两种，单端检测比差分检测结构简单，但也存在零点偏移比较严重，噪声比较大；而差分检测电路极大提高了电源抑制比，能够对衬底噪声和开关的电荷注入效应等共模误差具有一阶抵消的作用，弱化了谐波失真。然而，输入电压的失调依然很大地影响着微弱信号检测电路的精度，进而限制了系统的性能。

开环加速度传感器系统包括接口电路和MEMS加速度计两个部分，没有反馈，结构简单，易于实现。当加速度传感器工作在开环状态时，由于动态范围、带宽等性能的限制，传感器受到一较小的外加速度时，传感器输出便达到饱和。为了增加加速度传感器的动态范围，通过静电力的作用，使活动质量块维持在中心平衡位置，传感器工作在闭环状态。当检测加速度时，结构之发生较小的形变，从而使结构部分带来的非线性达到最小化。因此闭环工作不仅仅能够实现理想的动态范围，还能够满足线性度的要求。然而，与开环系统不同的是，闭环系统存在着不稳定的隐患，因此在系统设计时如何使系统稳定是一项关键问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明提供一种新型的全差分力平衡模式MEMS加速度传感器信号处理电路。

本发明采用的技术方案如下：一种全差分力平衡模式MEMS加速度传感器信号处理电路，包括全差分开关电容电路、采样保持电路、仪表放大器、多相时钟电路、参考源电路，全差分开关电容电路对MEMS变化电容进行检测，输出差分信号经过采样保持电路，连接到仪表放大器，并通过仪表放大器把差分信号转换为单端输出信号。

进一步地，MEMS加速度传感器的上下极板与多相时钟电路控制的开关相连，其中间极板与全差分开关电容电路相连；全差分开关电容电路的另一个输入端连接一个与MEMS加速度传感器等效电容大小相等的片外电容，该片外电容另一端接至地电位。

进一步地，仪表放大器包括两个单位增益缓冲器和一个减法器。

进一步地，还包括电容补偿阵列，所述可编程电容补偿阵列与MEMS电容并联，对MEMS电容进行补偿。