[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

摘要

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。

主权项

1.一种全差分力平衡模式MEMS加速度传感器信号处理电路，其特征在于：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、电容补偿阵列，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；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CE，该片外电容CE另一端接至地电位；所述仪表放大器包括两个单位增益缓冲器和一个减法器；所述电容补偿阵列与MEMS电容并联，对MEMS电容进行补偿；通过检测MEMS加速度传感器上极板等效电容C1和下极板等效电容C2的变化，在上极板、中间极板和下极板上加不同的静电力反馈电压，提供向上反馈力或向下反馈力使中间极板恢复到平衡位置，具体包括两种工作模式：启动模式和运行模式，读出电路启动时为启动模式，该模式用于启动时将质量块恢复到基本平衡位置，具体包括：S1，调制力反馈阶段，默认初始状态为MEMS加速度传感器上极板接正向参考电压VRP，下极板接负向参考电压VRN，中间极板接信号处理电路输出电压值Vout，产生一个向上的静电力力作用于MEMS加速度传感器上，后续周期则通过上一周期信号处理电路读出放大阶段检测的电容差值进行判断，当C1>C2时，加速度计工作在向上力反馈方式，则给MEMS加速度传感器上极板接正向参考电压VRP，下极板接负向参考电压VRN，中间极板接信号处理电路输出电压值Vout；当C1<C2时，上下极板所接的参考电压VRP、VRN互换；S2，电压均衡阶段，首先中间极板接地，此时加在中间极板与上、下极板之间的电压相等，然后中间极板接入信号处理电路，处于虚地状态，以快速泄放电荷，可以在后续步骤中消除运放的失调；S3，读出放大阶段，该步骤下信号处理电路用来检测MEMS加速度传感器上极板等效电容C1与下极板等效电容C2的电容差值，并进行读出放大；运行模式用于确定MEMS传感器中间极板位置，抵消1g重力加速度的影响，并使其达到平衡稳定状态，具体包括：S1，复位置零阶段，该状态下MEMS电容的上极板、下极板和中间极板均接模拟地电位GND，使得没有力反馈到传感器上；S2，调制力反馈阶段，在此步骤，利用信号处理电路上一周期计算出的输出电压值Vout得到上下极板等效电容差值，当C1>C2时，加速度计工作在向上力反馈方式，则给MEMS加速度传感器上极板接正向参考电压VRP，下极板接负向参考电压VRN，中间极板接信号处理电路输出电压值Vout；当C1<C2时，加速度计工作在向下力反馈方式，则给MEMS加速度传感器上极板接正向参考电压VRN，下极板接负向参考电压VRP，中间极板接信号处理电路输出电压值Vout；S3，复位置零阶段，此步骤具体操作同运行模式的S1；S4，电压均衡阶段，此步骤具体操作方式同启动模式的S2；S5，读出放大阶段，信号处理电路检测MEMS加速度传感器上极板等效电容C1与下极板等效电容C2的电容差值，并进行读出放大；至此，运行模式完成一个工作周期，接下来将依次循环工作，质量块将在静电力反馈作用下保持在平衡位置附近振动。