[发明专利]MEMS闭环加速度计及其控制方法

说明书

本发明涉及一种MEMS闭环加速度计及其控制方法，其中，MEMS闭环加速度计包括：MEMS敏感结构，包括质量块、与质量块连接驱动电容以及检测电容；用于将检测电容的电容信号转换为电压信号的检测电路模块；与检测电路模块连接的反馈控制电路模块；检测电容与检测电路模块之间形成电容检测回路，驱动电容、检测电路模块与反馈控制电路模块之间形成电压反馈控制回路；以及用于切换电容检测回路以及电压反馈控制回路的开关控制模块，开关控制模块包括第一固定电容、与电容检测回路和电压反馈控制回路均连接的第一开关以及与第一固定电容和电容检测回路均连接的第二开关。通过上述方式，能够提高驱动电容的大小，增大反馈静电力。

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，特别是涉及一种MEMS闭环加速度计及其控制方法。

背景技术

微机电系统(MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的，融合了微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。MEMS是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。

MEMS加速度计是一种测量加速度大小的器件，目前业界的MEMS加速度计最普遍采用的技术路线为电容式检测方式，即MEMS加速度计包含敏感单元和调理电路两部分，其中的敏感单元将外界加速度变化转化成内部质量块的位移，并通过电容电极将位移转化为电容变化，再通过调理电路将电容变化转化成电压信号。

部分MEMS电容式加速度计采用闭环的架构，即调理电路额外产生与检测到的加速度成比例的直流偏压，并反馈加载回敏感单元部分的驱动电极上，通过驱动电极与质量块之间的静电力，抵消质量块上因加速度而产生的惯性力，将受到加速度影响而发生位移的质量块拉拽回初始位置。这种闭环架构具备非线性优异，漂移低等优点。

在上述MEMS电容式闭环加速度计中，当静电力足以抵消惯性力时，系统才能够稳定工作。其中，驱动电极与质量块之间能够产生的静电力的大小决定了其能够抵消的由加速度导致的惯性力的大小，即决定了加速度计的量程上限。此外，当输入加速度过大，即发生过载时，可能导致结构碰撞碎裂或电容极板粘连等失效问题，此种情况下加载反方向的静电力能够部分抵消过载的程度，提高触发过载失效的加速度阈值，降低发生失效的概率。因此，提高系统中反馈静电力的上限是有益的。

由静电力的计算公式可知，在上述系统中提高反馈静电力需要增大驱动电极与质量块之间的电压，或者增大驱动电极的电容。驱动电极上加载的电压上限由调理电路决定，调理电路的输出电压上限受限于电路芯片的耐高电压能力，即所采用的加工工艺中晶体管的耐高电压能力，提升晶体管的耐高电压能力通常会显著增加加工工艺的复杂度和成本。而增大驱动电极的电容的方式包括，增大驱动电极的相对介电常数、增大电容极板正对面积以及减小电容极板的间距。其中，增大相对介电常数会显著影响敏感单元的工作特性，而增大电容极板正对面积会增大器件的尺寸和成本，电容极板的间距受加工工艺限制，无法轻易减小。

发明内容

基于此，本发明提供一种MEMS闭环加速度计及其控制方法，能够提高驱动电容的大小，增大反馈静电力，从而提升MEMS闭环加速度计的量程和可靠性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种MEMS闭环加速度计，包括：

MEMS敏感结构，所述MEMS敏感结构包括质量块、与所述质量块连接且用于通过静电力驱动所述质量块发生位移的驱动电容以及与所述质量块连接且用于检测所述质量块发生位移的检测电容；

用于将所述检测电容的电容信号转换为电压信号的检测电路模块；

与所述检测电路模块连接且用于根据所述检测电路模块的输出控制加载至所述驱动电容的驱动电压的反馈控制电路模块；所述检测电容与所述检测电路模块之间形成电容检测回路，所述驱动电容、所述检测电路模块与所述反馈控制电路模块之间形成电压反馈控制回路；以及