[發(fā)明專利]帶有自檢測功能的電容式閉環(huán)加速度計(jì)接口電路

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910072974.X
• 申請日: 2009-09-25
• 公開（公告）號: CN101692095A
• 公開（公告）日: 2010-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉曉為;尹亮;張海峰;陳偉平;付強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01P1/00
• 分類號: G01P1/00;G01P15/125
• 代理公司: 哈爾濱市哈科專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 23101
• 代理人: 吳振剛

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于MEMS慣性器件領(lǐng)域，特別涉及一種帶有自檢測功能的電容式閉環(huán)加速度計(jì)接口電路。

(二)背景技術(shù)

慣性傳感器技術(shù)快速發(fā)展，其背后巨大的市場需求是發(fā)展的主要推動力量。微機(jī)械加速度計(jì)是繼壓力傳感器之后，擁有世界上第二大市場銷售量的傳感器。從民用領(lǐng)域的汽車和消費(fèi)類電子到軍用領(lǐng)域的慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)，加速度傳感器都在其中扮演著重要的角色。加速度計(jì)在汽車中的應(yīng)用包括了安全氣囊、傾翻偵測、電子動態(tài)控制系統(tǒng)、導(dǎo)航、安全系統(tǒng)和靈活性背負(fù)系統(tǒng)。在消費(fèi)類電子領(lǐng)域，消費(fèi)類電子制造商在產(chǎn)品中使用加速度計(jì)來為產(chǎn)品增加獨(dú)特的功能以期達(dá)到與其他產(chǎn)品的差異性，從而增強(qiáng)市場競爭力。加速度傳感器主要用于增加圖象穩(wěn)定性、震動偵測、菜單導(dǎo)航、文本滾動等功能。在軍用領(lǐng)域，加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中最重要的慣性器件之一，其精度水平直接影響和決定導(dǎo)航和制導(dǎo)的精度。汽車安全氣囊的開啟、火箭軌跡方向的控制、火箭的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的正常工作全部依賴于加速度傳感器的精準(zhǔn)工作，加速度計(jì)失效將導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因此，隨著加速度傳感器在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的拓展與加深，提高性能的同時(shí)，應(yīng)該保證加速度計(jì)工作的可靠性。然而現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和工藝水平并不能保證傳感器完全的可靠性。例如，微機(jī)械加速度計(jì)在生產(chǎn)工藝過程中難免存在一些誤差，不可避免的會生產(chǎn)出一些功能不完善的器件產(chǎn)品，同時(shí)微機(jī)械加速度計(jì)在受到?jīng)_擊載荷以及溫度變化也會引起失效。加速度計(jì)接口電路的自檢測功能可以對傳感器提供周期性的檢測。第一時(shí)間檢測出器件的不穩(wěn)定因素和一些難以識別的缺陷，驗(yàn)證加速度傳感器是否處在正常的工作狀態(tài)，從而減少因加速度傳感器失效而造成的損失，是加速度計(jì)的一項(xiàng)重要功能。

專利文件CN?101271125A報(bào)道了一種帶有自檢測功能的電容式微加速度計(jì)，該加速度計(jì)接口電路采用開環(huán)電路結(jié)構(gòu)，加速度的檢測靈敏度相對較低。開環(huán)結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)只能夠滿足民用低端消費(fèi)類產(chǎn)品需求，無法滿足慣性制導(dǎo)武器的需求。因此，帶有自檢測功能的集成閉環(huán)結(jié)構(gòu)的加速度接口電路成為慣性器件的必然趨勢。

(三)發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有開環(huán)加速度接口電路的不足，提出一種帶有自檢測功能的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的電容式加速度計(jì)接口電路，具有檢測靈敏度高、線性度好、噪聲低，工作范圍寬等特點(diǎn)。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明采用的加速度接口電路使用±9V電源供電。整體電路由數(shù)字部分和模擬部分組成。數(shù)字部分用于產(chǎn)生模擬電路中開關(guān)的控制時(shí)序，由振蕩器、分頻器和組合邏輯組成；模擬部分包括前級運(yùn)放，同向放大器，采樣保持部分和單位增益PID反饋控制電路組成。

本發(fā)明還有這樣一些技術(shù)特征：時(shí)序電路產(chǎn)生電路中各開關(guān)的控制時(shí)序，test信號為通過芯片管腳外加的控制信號。自檢測控制時(shí)序通過開關(guān)S5控制在每個(gè)工作循環(huán)中自檢測電壓加載在feedback?point點(diǎn)的時(shí)長。Test可以是直流信號或方波信號。若test為直流高電平，則電路一直處于自檢測狀態(tài)，這時(shí)，若有外部加速度信號，則輸出為自檢測輸出與檢測加速度信號的輸出的總和；若test為直流低電平，則電路一直處于檢測外部加速度信號狀態(tài)；若test為方波信號，則在test信號高電平階段，傳感器進(jìn)行自檢測，test信號低電平階段，傳感器檢測外部加速度信號，方波信號用于控制電路周期性進(jìn)行自檢測。

加速度計(jì)的每個(gè)工作循環(huán)根據(jù)控制時(shí)序分為4個(gè)階段，分別是：自檢測與電荷瀉放階段、檢測階段、電荷轉(zhuǎn)移階段和反饋階段。下面分別加速度計(jì)工作時(shí)序的不同階段，模擬信號處理電路的工作原理。

階段1，自檢測與電荷瀉放階段。開關(guān)S5閉合，加載自檢測電壓至feedback?point點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行電荷瀉放，建立正確的初始狀態(tài)，防止該點(diǎn)電荷在結(jié)果中引入誤差。開關(guān)S5只有在這一階段中閉合，其它階段均保持關(guān)斷狀態(tài)。

階段2，檢測階段。開關(guān)S6在這一階段中閉合，將前級放大器與敏感電容連接，直至反饋周期的開始。在反饋周期，開關(guān)S6關(guān)斷，以避免反饋電壓對前級放大器的影響。開關(guān)S7在這一階段結(jié)束前一段時(shí)間斷開，在采樣電容上建立噪聲的同時(shí)，使電路中形成電荷放大器，用于下一階段的電荷轉(zhuǎn)移，開關(guān)S7的關(guān)斷狀態(tài)將保持至反饋階段開始。