[发明专利]具有条件电容检测的摆式加速度传感器

说明书

这种加速度传感器包括壳体(2)、固定至壳体的摆锤(3)、由摆锤承载并连接至检测电路(7)的可动电极(5.3)、第一电极(5.1)和第二电极(5.2)、以及控制单元(8)，第一电极和第二电极与壳体固定连接以与可动电极形成具有可变电容的两个电容器，可变电容取决于电极之间的距离，控制单元(8)被设计为：执行检测操作以便测量电容器的可变电容；并根据所测量的电容，通过施加逻辑信号(bs)以控制开关(9)将固定电极选择性地连接至驱动电路(6)，从而将控制信号(u)传送至固定电极，来执行对可动电极的控制操作，以便将摆锤保持在预定位置。控制单元被配置为在每个校准周期，在固定电极中的、根据控制信号的逻辑电平所选择的一个处施加第一检测信号，以及在另一个固定电极处施加第二检测信号；控制信号(u)被施加至施加第二检测信号的电极。

本发明涉及一种用于检测物理量的、具备静电控制和检测的闭环摆式加速度传感器以及用于控制这种传感器的方法。该传感器例如是微机电系统(Micro ElectroMechanical System，MEMS)技术传感器。

静电摆式加速度计包括壳体和震动质量块(seismic mass)，该震动质量块通过一个或多个铰链连接至壳体，该铰链被定位成使得震动质量块形成相对于壳体可移动(要么平移要么转动)的摆锤。通常通过三个电极来检测震动质量块在加速度作用下的运动。

第一固定电极和第二固定电极与壳体构成一体，并连接至驱动电路。

第三电极是可动的，该第三电极由摆锤承载并连接至检测电路。

每个固定电极均与可动电极形成一个电容，该电容的值取决于固定电极与可动电极之间的间距。在没有制作缺陷且当传感器没有受到沿其敏感轴的加速度时，摆锤保持在其中间位置，在该中间位置处两个电容相等。另一方面，当摆锤受到沿传感器的敏感轴的加速度时，摆锤移动，使得可动电极与上述固定电极中的一个形成的电容连续减小，且可动电极与另一个固定电极形成的电容增加。

这种电容变化还取决于壳体的形变和摆锤的形变。

在闭环操作中，通过向摆锤施加一个必须补偿沿敏感轴所施加的加速度的静电力，来将摆锤的位置伺服控制在位于这些固定电极中间的中间位置或目标位置。该静电力是由为了保持电容差为零而施加到这些电极的电压产生的。

该传感器针对每个固定电极包括一驱动电路，这些驱动电路设置为向这些电极供电以产生所述静电力。

与所施加的电压有关的静电力的二次(quadratic)特性，使执行摆锤的伺服控制和加速度的估计的控制电路的设计复杂化。

为了克服这个困难，已知使用校准后的电压脉冲来完全控制或者不控制摆锤。

这些脉冲被施加到这些电极的任一上，这取决于是拉动还是推动摆锤以使摆锤回到其目标位置的问题。则旨在分别推动、拉动摆锤的脉冲的密度(即每个时间间隔的脉冲数量)是待测量的加速度的仿射函数。

因此，零加速度是由两个方向上平均相等数量的脉冲补偿的。

然而，施加到两个电极的脉冲可能由于施加到第一固定电极的脉冲的持续时间和施加到第二固定电极的脉冲的持续时间之间存在差异，而是不完全对称的。

在这种情况下，通过伺服控制对脉冲密度进行修改，以使摆锤保持在目标位置，而这使得加速度的估计产生偏差。

为了改善这种类型的传感器的性能，在文献WO 2014/128027中提出了使用一共用驱动电路，从而限制了驱动电路的制作不对称性和电子器件老化的问题。

在文献WO 2017/85142中还提出了：执行精密控制阶段以发送中等(moderate)控制脉冲，从而允许在减小的测量范围内获得最优的性能；以及执行扩展的操作控制阶段，在扩展的操作控制阶段中，发送高幅度控制脉冲以扩展测量范围，以在满量程下偏置传感器，可能会降低性能。

上述传感器尽管在许多方面都是有利的，但具有相对高的功耗。