具有活动部分和偏置的传感器

申请号 CN201210043553.6 申请日 2012-02-24 公开(公告)号 CN102650533B 公开(公告)日 2017-04-26
申请人 英飞凌科技股份有限公司; 发明人 J.L.塞巴洛斯; C.B.武尔青格;
摘要 本 发明 公开了具有活动部分和偏置的 传感器 。提供方法和设备,其中利用至少两个不同 电压 来交替地偏置包括至少两个 电极 和活动部分的传感器。
权利要求

1.一种用于监视事件的设备,包括:
传感器,其包括活动部分和至少两个电极;以及
偏置电路,其被配置成将至少一个第一电压和至少一个第二电压交替地施加于所述至少两个电极,其中所述第一电压的幅度不同于所述第二电压的幅度;
其中,施加所述至少一个第一电压与所述活动部分的稳定状态相关联,以及施加所述至少一个第二电压与所述活动部分的不稳定状态相关联。
2.根据权利要求1所述的设备,还包括从所述传感器的输出端到所述偏置电路的反馈路径,所述偏置电路被配置成取决于经由所述反馈路径接收的信号来提供所述至少第一电压和所述至少一个第二电压。
3.根据权利要求1所述的设备,其中,所述传感器包括麦克加速度计或陀螺仪中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的设备,其中,所述传感器被实施为微机电系统
5.根据权利要求1所述的设备,其中,所述至少两个电极包括第一板和第二板,以及其中所述活动部分包括在所述第一板和所述第二板之间悬挂的膜。
6.一种用于监视事件的设备,包括:
传感器,其包括第一电极、活动部分和第二电极,第一电容被限定在所述第一电极和所述活动部分之间,以及第二电容被限定在所述活动部分和所述第二电极之间;
第一电压源;
第一开关,其将所述第一电压源与所述第一和第二电极中的一个耦合;以及第二开关,其将第二电压源与所述第一和第二电极中的一个耦合,
还包括:至少一个时钟,其被耦合至所述第一开关和所述第二开关并且被配置成交替地闭合所述第一开关和所述第二开关,
其中交替地施加给第一和第二电极的至少一个第一电压与所述活动部分的稳定状态相关联,以及交替地施加给第一和第二电极的至少一个第二电压与所述活动部分的不稳定状态相关联。
7.根据权利要求6所述的设备,还包括放大器,所述放大器的第一输入端被耦合至所述第一电极,以及所述放大器的第二输入端被耦合至所述第二电极,所述放大器的第一输出端被耦合至第一输出管脚,以及所述放大器的第二输出端被耦合至第二输出管脚。
8.根据权利要求7所述的设备,还包括与所述放大器并联地耦合的至少一个另外的开关,所述至少一个另外的开关被配置成与所述第二开关同步地被操作。
9.根据权利要求7所述的设备,还包括与所述放大器并联地耦合的至少一个第三电容。
10.根据权利要求6所述的设备,还包括与所述第一电极和所述第二电极耦合的偏置电路。
11.一种用于监视事件的设备,包括:
传感器,其包括第一电极、第二电极以及布置在所述第一电极和所述第二电极之间的活动部分;
第一放大器装置,其中所述第一放大器装置的第一输入端与所述第一电极耦合;
第二放大器装置,所述第二放大器装置的第一输入端与所述第二电极耦合;以及反馈回路,其经由耦合被耦合在所述第一放大器装置和第二放大器装置的输出端与所述第一放大器装置和所述第二放大器装置的第二输入端之间;
其中,所述反馈回路包括:开关电路,其被配置成在所述反馈回路中间歇地交换第一反馈信号和第二反馈信号,
其中第一反馈信号与所述活动部分的稳定状态相关联,以及第二反馈信号与所述活动部分的不稳定状态相关联。
12.根据权利要求11所述的设备,其中,所述反馈回路包括在所述第一放大器装置和所述第二放大器装置的所述输出端与所述第一放大器装置和所述第二放大器装置的所述第一输入端之间的另外的耦合。
13.根据权利要求12所述的设备,其中,所述另外的耦合是经由电容的耦合。
14.根据权利要求12所述的设备,其中,所述反馈回路包括:第三放大器装置,其被配置成放大经由所述耦合提供的第一信号;以及第四放大器装置,其放大经由所述另外的耦合提供的第二信号,所述第四放大器装置的放大因子大于所述第三放大器装置的放大因子。
15.根据权利要求14所述的设备,其中,所述第四放大器装置的所述放大因子基本上是所述第三放大器装置的放大因子的两倍。
16.根据权利要求11所述的设备,其中,所述反馈回路包括差动的差分放大器装置,所述差动的差分放大器装置的输入端与所述第一放大器装置和所述第二放大器装置的所述输出端耦合。
17.一种用于监视事件的方法,包括:
提供包括布置在至少两个电极之间的活动部分的传感器;以及
在至少两个不同幅值之间交替地切换用于所述至少两个电极的偏置电压;
其中,所述偏置电压的所述切换包括在稳定状态和不稳定状态之间切换所述传感器。
18.根据权利要求17所述的方法,还包括:取决于所述传感器的输出而提供所述至少两个不同的电压。
19.根据权利要求17所述的方法,还包括:基于具有第一放大的所述传感器输出来生成第一反馈信号,以及基于具有不同于所述第一放大的第二放大的所述传感器输出来生成第二反馈信号。
20.根据权利要求17所述的方法,其中,所述传感器包括麦克风、加速度计和陀螺仪中的至少一个。

说明书全文

具有活动部分和偏置的传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及包括活动部分的传感器,并且涉及由该传感器输出的信号的读出和放大。

背景技术

[0002] 在许多应用中使用具有活动部分的传感器,例如作为加速度传感器或作为声音传感器(即麦克)。在这些传感器的一些类型中,活动对象相对于靠近活动对象布置的两个或更多个电极被移位,并且由该移动引起的在活动对象与电极之间的电容的变化可以从传感器中被读出。例如,活动对象可以是麦克风的膜。
[0003] 这样的传感器可以例如以微机电系统(MEMS)的形式被实施,所述微机电系统(MEMS)还被称为基于微系统技术的微机器或系统。
[0004] 因为在许多情况下由传感器提供的信号比较弱,所以通常在进一步处理该信号之前对其进行放大。

发明内容

[0005] 根据本发明的第一方面,提供一种设备。所述设备包括:传感器,其包括活动部分和至少两个电极;以及偏置电路,其被配置成将至少一个第一电压和至少一个第二电压交替地施加于所述传感器。
[0006] 根据本发明的第二方面,提供一种设备。所述设备包括:传感器,其包括第一电极、活动部分和第二电极,第一电容被限定在所述第一电极和所述活动部分之间,以及第二电容被限定在所述活动部分和所述第二电极之间;第一电压源;第一开关,其将所述第一电压源与所述活动部分或所述第一和第二电极中的一个耦合;以及第二开关,其将所述第二电压源与所述活动部分或所述第一和第二电极中的一个耦合。
[0007] 根据本发明的第三方面,提供一种设备。所述设备包括:传感器,其包括第一电极、第二电极以及布置在所述第一电极和所述第二电极之间的活动部分;第一放大器装置,其中所述第一放大器装置的第一输入端与所述第一电极耦合;第二放大器装置,所述第二放大器装置的第一输入端与所述第二电极耦合;以及反馈回路,其经由耦合被耦合在所述第一放大器装置和第二放大器装置的输出端与所述第一放大器装置和所述第二放大器装置的第二输入端之间。
[0008] 根据本发明的第四方面,提供一种方法。所述方法包括:提供包括布置在至少两个电极之间的活动部分的传感器;以及在至少两个不同值之间交替地切换用于所述传感器的偏置电压。附图说明
[0009] 图1示出根据一个实施例的设备的框图
[0010] 图2示出在一些实施例中使用的传感器的实例。
[0011] 图3示出根据一个实施例的设备的电路图。
[0012] 图4示出说明根据一个实施例的方法的流程图
[0013] 图5示出用于说明一些实施例的一些特征的曲线。
[0014] 图6示出根据一个实施例的设备的框图。
[0015] 在下文共同称为图7的图7A和7B示出根据一个实施例的设备的电路图。

具体实施方式

[0016] 在下文中,将详细描述本发明的一些实施例。应当理解,下面的描述仅仅出于说明的目的而被给出,并且不应在限制性意义上来理解。本发明的范围不打算由在下文参考附图描述的实施例来限定,而是打算仅由所附权利要求及其等同物来限定。
[0017] 还应当理解,在下面对实施例的描述中,在附图中示出的或在此描述的功能、装置、部件、电路元件或者其他物理或功能单元之间的任何直接的连接或耦合也可以由间接的连接或耦合(即包括一个或多个中间元件的连接或耦合)来实施。此外,应当认识到,在附图中示出的功能块或单元在一些实施例中可以被实施为分开的电路,但是在其他实施例中也可以被完全地或部分地实施在公共电路中。换言之,在附图中使用不同功能块或单元打算给出对由对应装置执行的各种功能的清楚理解,但是不应将其解释为指示功能块必须被实施为分开的物理单元。
[0018] 进一步应当理解,在下面的说明书中被描述为基于导线的任何连接也可以被实施为无线连接,除非有相反的说明。
[0019] 应当注意,附图被提供以给出本发明的实施例的一些方面的说明,并且因此附图应当被认为仅仅是示意图。特别是,在附图中示出的元件不一定关于彼此是按比例的,以及附图中各种元件的放置被选择以提供对相应实施例的清楚理解,并且不应将其解释为一定是在相应实施例的实施中各种部件的实际相对位置的表示。
[0020] 在此所述的各种实施例的特征可以彼此组合,除非另有专地说明。另一方面,描述具有多个特征的实施例不应被解释为指示所有这些特征对于实行本发明是必须的,因为其他实施例可以包括更少的特征和/或替换的特征。
[0021] 在下面的实施例中,具有活动部分和至少两个电极的传感器被描述。对于这样的传感器而言,活动部分由于要被传感器监视的事件而相对于电极被移位,并且该移位引起指示事件的电极和活动对象之间的电容的变化,该变化然后能够以电的方式被检测到。例如,在麦克风(即声音传感器)的情况下,事件可以是输入声波,以及在加速度传感器的情况下,事件可以是传感器被加速。电极可以相对于活动部分被偏置,这可以通过将电压施加于电极、活动部分或这二者来实现。稍后将更详细地解释这样的传感器的实例。
[0022] 现在转向附图,在图1中示出根据本发明一个实施例的框图。在图1中示出的设备包括传感器10,其在图1的实施例中是包括邻近至少两个电极(例如在至少两个电极之间)布置的活动部分的传感器。传感器10的输出与读出电路11耦合,读出电路11输出输出信号out。传感器10例如可以是麦克风或加速度传感器,但是不限于此。
[0023] 此外,图1包括偏置电路12,其被配置成例如通过将电压施加于电极和/或活动部分来利用至少两个不同电压Vm1、Vm2相对于活动部分交替地偏置传感器10的电极。偏置电路12可以与读出电路11耦合。例如,在一个实施例中,读出电路11可以取决于在电压Vm1和Vm2之间的切换来改变读出或者执行读出。在另一实施例中,读出电路11可以另外或可替换地关于在电压Vm1、Vm2之间的切换和/或这些电压的大小来控制偏置电路12,从而提供从传感器10经由读出电路11和偏置电路12回到传感器10的反馈路径。
[0024] 通过如将在下面进一步解释的那样利用电压Vm1和电压Vm2交替地偏置传感器10的第一电极和第二电极并且适当地选择电压,可以获得所感测的信号的放大。可以被看作一种类型的超再生放大的该放大利用了下述事实:如上所述的传感器可以被近似为具有带有包络y(t)的自由响应的二阶线性系统,包络y(t)可以由下式近似:
[0025]
[0026] 其中,τ是时间常数,以及tdl是延迟时间。时间常数τ可以为正(稳定状态)或者为负(不稳定状态)。活动质量的稳定状态是在至少缺少外(比如声学力)的情况下活动部分返回到平衡位置的状态,而在其不稳定状态中,离开平衡位置的位移增加。时间常数τ可以通过将不同的电压施加于传感器的电极来改变。特别是,取决于电压的选择,可以使时间常数τ为正或为负。通过以所谓的猝熄频率在正和负时间常数之间周期性地切换,可以获得放大,使用比如在上文提到的反馈之类的反馈,可以增加比如在图1中示出的装置之类的装置的猝熄频率。
[0027] 在图2中,示出以麦克风形式的传感器的实例。例如基于衬底,图2的麦克风可以被制造为微机电系统(MEMS)。
[0028] 图2中示出的麦克风包括可以将电压施加于其的上背板20和下背板21,即它们可以分别被用作第一和第二电极。
[0029] 膜22位于上背板20和下背板21之间。在零位置中,膜22和上背板20之间的距离是X0,1,并且膜22和下背板21之间的距离是X0,2。由于机械和/或电学力,膜22可能被移位到例如示出经移位的膜22A的位置。位移被表示为x’0。
[0030] 如果图2的麦克风被用在图1的实施例中,则电压Vm1、Vm2可以被交替地施加于上背板20和下背板21,即在一个时间,电压Vm1被施加于上背板20和下背板21,以及在不同的时间,电压Vm2被施加于上背板20和下背板21,或者可以被交替地施加于膜22。
[0031] 经移位的膜22A和上背板20之间的电学力被标记为Fe,1,以及经移位的膜22a和下背板21之间的电学力被标记为Fe,2。Fa是由声学声波引起的力,以及Fm是可以由具有弹簧常数kmech的弹簧23表示的机械力。应当注意,在这样的系统中,通常不存在实际的“弹簧”,但是例如可以在座架之间悬挂膜,并且因此膜离开其零位置的位移引起回复力。
[0032] V1是上背板20和(经移位的)膜22A之间的电压,以及V2是下背板21和(经移位的)膜22A之间的电压。紧邻电压、距离和力的箭头指示相应量的“正”方向,即在箭头的方向上的量在下面的等式和解释中为正,以及在相反方向上的量为负。
[0033] 对于较简单的等式,共模电压Vc和差模电压Vd被定义,使得:
[0034]
[0035] 上升阶段(即系统不稳定的阶段)的持续时间将被称为tr,以及衰减阶段(即系统稳定的阶段)的持续时间将被称为td,以及上述的猝熄频率将被标记为fq=1/Tq,其中Tq>tr+td。
[0036] 接下来,将更详细地描述,对于比如在图2中示出的麦克风之类的麦克风或者其中比如膜之类的活动对象在两个电极之间移动的类似传感器,可以如何实施上文解释的原理。这样的系统的动力学(dynamics)可以由二阶系统来近似。系统动力学取决于由电极和活动部分形成的电容器的偏置条件。对于大的偏置电阻,存储在电容器内部的电荷可以被看作是恒定的,并且动力学近似地独立于所施加的电压。然而,如果偏置电阻小,则电容器板(例如比如上背板20和下背板21之类的电极以及膜22)两端的电压可以被看作是恒定的,并且系统动力学随着偏置电压而改变。该系统可以至少近似地由根据下列等式的传递函数Ha(s)和He(s)来描述:
[0037]
[0038] 以及
[0039]
[0040] Ha(s)描述作为声学力的函数的膜位移,以及He(s)描述作为静电力的函数的膜位移。为了便于参考,图2中示出的麦克风将被用于下面的解释。然而,应当理解,下面解释的原理也可以被应用于其中活动对象在至少两个电极之间移动的其他传感器,例如加速度传感器。
[0041] m是膜的有效质量,r是粘性阻尼,以及k'=kmech-kel(Vc)表示有效弹簧常数,kmech是机械弹簧常数,以及kel是由静电力引起的“弹簧常数”并且取决于偏置电压。
[0042] 这样的装置的物理上可能的自由响应遵循在下面的表中概括的包络:
[0043]
[0044] 其中,
[0045]
[0046] 通过改变Vc,例如通过将不同的偏置电压施加于图2中的上背板20和下背板21以及/或者膜22,来改变k’,并且因此该系统的自由响应包络是指数地上升或衰减。这可以在一些实施例中被使用以便基本上将麦克风本身用作放大器。
[0047] 在图3中,示出使用这些原理的电路的实施例。图3的实施例的电路是不使用反馈的电路。
[0048] 在图3的电路图中,传感器32由两个可变电容33、34来表示。电容33可以是第一电极和活动对象之间的电容,例如上背板20和膜22之间的电容,以及电容34可以是第二电极和活动对象之间的电容,例如下背板21和膜22之间的电容。
[0049] 在图3的实施例中,φ1和φ2是分别控制两个开关30、31的非重叠时钟的两个相位。换言之,开关30、31被交替地闭合,从而将电压Vm1或电压Vm2施加于传感器32的活动对象,例如施加于膜。被馈送(输入)共模电压Vcmin的共模反馈电路310对电极(例如图2的装置的上背板20和下背板21)进行偏置。耦合到传感器32的电极的是差动放大器37。如图3中所示,与差动放大器37并联地、在两侧提供电容器36、38和开关35、39。开关35、39取决于信号φ2而被切换,即这些开关在开关31也被闭合时被闭合。在输出端311、312处,输出电压Vout可以被分接(tap)。
[0050] 接下来,将更详细地描述图3中示出的实施例的操作。对于下面的解释,比如图2中示出的传感器之类的传感器将被使用,然而,应当理解,还可以使用在两个电极之间具有活动对象的其他传感器。
[0051] 两个电压Vm1、Vm2被选择,使得当电压Vm1被施加时系统变成不稳定的,并且当电压Vm2被施加时系统是稳定的。这可以通过根据下式设置kel(Vc)来获得:
[0052]
[0053] 使得它分别大于或小于kmech,从而有效弹簧常数k'分别变成负的或正的。
[0054] 等式(7)中的z等于 ,其中,ε0是介电常数,R是在该实例中图2中的圆形背板电极和/或膜的半径,以及括号中的项是近似为1的校正因子,rh是上背板和下背板中的孔的半径,并且ρh是这样的孔的密度。这样的孔例如允许声音到达膜。在其他实施例中,可以不使用孔,并且可以省略对应的项。在另外的其他实施例中,可以使用非圆形的背板电极和/或膜,在这种情况下,在z的上面表达式中,项R2π由背板电极和/或膜的面积代替。
[0055] 换言之,当信号Φ2闭合开关31时,电压V1和V2被设置为Vm2,Vm2小于所谓的拉入(pull-in)电压,即产生不稳定系统所必须的电压。因此,系统是稳定,并且膜位移x’0是声学力Fa对抗机械回复力Fm的结果。
[0056] 当现在信号Φ1闭合开关30并且另一方面开关31被打开时,电压Vm1被用作偏置电压,其大于拉入电压,使得系统变成不稳定的并且膜开始指数地增加其位移。换言之,在开关31被闭合时由声学力引起的位移现在在开关30被闭合时被放大。
[0057] 在图3的实施例中,从Vm2到Vm1以及返回的偏置电压的变化是共模信号,该共模信号不被所提供的差动放大器37放大。另一方面,在相反方向上的膜位移改变传感器的电容33、34。所得到的电荷差被转换成电容36、38两端的电压,所述电容36、38被配置为图3中的反馈电容器。输出电压Vout于是为:
[0058]
[0059] 其中,CF是电容36、38的电容,C0是标称MEMS电容。应当注意,在等式(8)中,电容变化已经被线性化,这是好的近似。
[0060] 通过该构思提供的放大的增益在上升阶段期间被实现,并且取决于传感器的特性和上升阶段tr的持续时间。在上升阶段的结束处膜位移是:
[0061]
[0062] 其中,x0'(0)= -Fa/k'是在上升阶段的开始处的位移,tdl,r是上升阶段中的延迟,以及τr是上升阶段的时间常数。在下面的表中示出这些参数以及还有上升阶段和衰减阶段的参数ξ的值的实例。
[0063]
[0064] 应当注意,这些数值仅用作说明并且可以随着传感器而改变。
[0065] 应当注意,取决于tr和td的值,可能存在记忆效应,即当前的初始位移x0'(0) 可能影响下一衰减阶段中接着的初始位移。该影响可以由具有下面的脉冲响应的离散时间系统来估计:
[0066]
[0067] 其中a是参数,应当注意,这表示仅作为针对该等式最初假设非活动膜的估计,然而,在从上升到衰减阶段的过渡处,膜通常在移动。
[0068] 等式(10)的脉冲响应的z变换是:
[0069]
[0070] 其对应于低通滤波器/有损积分器的脉冲响应。等于零的参数a将导致没有记忆,这将是对于纯放大器的理想情况。然而,在一些实施例中,积分功能(例如作为增量总和调制器的一部分)可能是期望的并且被实施,例如在稳定偏置电压(即衰减阶段中的偏置电压)具有差动分量力反馈的情况下,这将在稍后进行描述。
[0071] 为了实现稳定操作,在一个实施例中,参数a被设置为小于1。这导致下面的约束:
[0072]
[0073] 其对值tr、td施加约束,并且因此如上文所解释的那样限制最大的能够实现的猝熄频率,因为Tq大于tr+td。猝熄频率确定读出的频率,或者换言之采样频率。另一方面,限制tr可能会限制增益。因此,取决于应用,参数可以被选择以实现高增益或高猝熄频率,这取决于需要。
[0074] 对于这样的小参数a,在一些实施例中可以获得鲁棒的操作,因为膜将返回到平衡位置并且甚至从潜在的动态拉入恢复。
[0075] 为了给出这样引起的在增益和猝熄频率之间的关系的实例,图5示出所估计的图3的实施例的猝熄频率与增益的关系曲线。
[0076] 在图3的实施例中,通过在两个离散电平之间切换偏置电压来改变系统动力学,这是实施简单的。在其他实施例中,可以实施多于两个电压之间的切换。
[0077] 在图4中,示意性地示出方法的一个实施例。图4中示出的方法可以在图1或3的实施例中被实施和/或可以使用图2中示出的传感器来实施,但是也可以独立于其而被实施,例如利用比如加速度传感器之类的其他传感器或利用连接到传感器的其他电路。
[0078] 在40处,提供在至少两个电极之间具有活动部分的传感器,例如以微机电系统的形式。
[0079] 在41处,在电极和活动部分之间交替地施加第一电压和第二电压。
[0080] 在42处,微机电系统被读出,例如在施加第一电压时和/或在施加第二电压时。
[0081] 如已经提到的那样,相对于图1的实施例,在一些实施例中可以提供反馈。虽然在图3和4的实施例中不提供这样的反馈,但是在其他实施例中可以存在这样的反馈。例如,在图4中的41处,交替地施加第一电压和第二电压可以取决于反馈回路。接着将参考图6和7来描述使用了反馈的更多实施例。
[0082] 在图6中,示出包括反馈回路的根据一个实施例的设备的框图。在图6的实施例中,提供传感器60,即包括活动部分和至少两个电极的微机电系统。传感器60接收外力,在麦克风的情况下是声学力Fa,以及由于电极相对于活动部分的偏置而引起的电学力。这些力如由加法器61表示的那样进行相加,并且引起如由块62表示的系统的机械动力学,即活动部分的移动。机械动力学62产生位移x0',该位移x0'由于基于移动的电容并且因此的电荷变化而被转换成电压Vout,如由块64表示的那样。
[0083] 电压Vout表示所感测的量并且可以被进一步处理,以及被进一步馈送到控制器65,该控制器65生成偏置电压Vd,该偏置电压Vd至少部分地取决于Vout。电压Vd产生将电压转换成力的如由块63表示的电学力Fe。
[0084] 应当注意,图6中示出的各种块表示各种功能,但是不应将其解释为系统中的实际实体。例如,作用于比如膜之类的活动部分的力由于机械定律而被自动地添加,并且不存在显式的加法器61,加法器61仅仅表示该机械事实。同样,作用于活动部分的力“自动地”产生如由块62表示的机械动力学,并且该结果不需要特定的实体。类似的考虑可以对于其他块(例如块63和64)保持适用。
[0085] 为了解释具有反馈回路的实施例(比如图6的实施例)的操作,将使用下述形式的传感器(在这种情况下是微机电系统60)的通用状态空间模型:
[0086]
[0087] 其中,
[0088]
[0089] 参数A、B、C和D被定义如下:
[0090]
[0091] 这里没有解释的量具有与已经相对于图1至5所解释的相同的含义。
[0092] 为了说明反馈回路的作用,假设控制器65使用状态变量膜位移以及膜的速度,即x’0和 或其估计, 是x’0关于时间的导数,其是对于反馈的确定而言,即图6中Vd或其变型的确定。如果对应的增益(即用于生成反馈的x’0和 的“放大”)被分别称为kd和kv,则代替上面矩阵A的新系统矩阵Af可以被写为:
[0093]
[0094] 通过定义
[0095]
[0096] (这些定义代替用于反馈回路的当前分析的等式(6)的定义),闭合回路传递函数可以被推导为:
[0097]
[0098] 以及
[0099] 。
[0100] 从等式(21)可以看出,可以通过相应地调整增益kd、k(v 例如通过适当地设计图6的控制器65)来任意地选择ω02 和ω0/Q的值。因此,自由响应参数及其时间常数也可以被任意地选择,从而在系统的设计中给出对应的自由。假设例如零的膜速度(x’0=0),自由响应具有如下形式:
[0101] 。
[0102] 在一些实施例中,传感器可以具有分开的驱动电容(即可以被偏置的电容)和感测电容(即用于读出传感器的电容)。这样的分开的驱动和感测电容例如被用在加速度计陀螺仪中。另一方面,在比如图2中示出的麦克风之类的麦克风中,通常采用针对驱动和感测二者使用的电容,在图2的示例实施例中是上背板20和膜22之间的以及膜22和下背板21之间的电容。在图7中示意性地示出其中对于这样的传感器可以应用反馈的示意电路图。应当注意,在图7中提供的关于电容、电压、增益等等的任何数量值仅用于说明的目的,并且不应将其解释为限制,因为其他实施例可以使用其他值或其他值。此外,在其他实施例中,可以使用其他电路结构。
[0103] 在图7的实施例中,附图标记70表示传感器,在图7的实例中是具有两个电极和活动膜的麦克风(如图2中所示)。INPM和INPP表示用于读出传感器以及用于可变地偏置传感器的传感器的连接,在图7的实施例中例如是到两个电极(例如背板)的连接。
[0104] 连接INPM、INPP被分别耦合至差动放大器装置71和72的负输入端,如所示出的那样。每个放大器装置71、72包括与相应放大器并联的电容和电阻,电容的电容值在下文被表示为CF。此外,耦合至INPM、INPP的是电容78,其电容值在下文被表示为CC并且用作补偿电容器。放大器装置71、72中的每个迫使其对应的电容器板或电极(例如图2中的板20或21)到供应给相应的运算放大器的相应非反相输入端(即图7中利用+标记的输入端)的电压。该输入(即第一反馈信号)经由包括放大器装置76的第一反馈路径被供应。放大器装置76可以具有1或近似1的增益。为了能够感测仅仅由于膜移动(即由于要由传感器感测的事件)而引起的电荷变化,并且为了能够丢弃来自所迫使的差动电压变化(即由于反馈和交替地施加不同电压而引起的电压变化)的影响,经由补偿电容器78提供将第二反馈信号提供给运算放大器装置71、72的负输入端的第二反馈路径。放大器装置77驱动补偿电容器78。在一个实施例中,选择电荷补偿电容器78以及放大器装置77的增益Ac,使得:
[0105]
[0106] 通过使用与传感器70的标称电容(即不具有所施加的偏置电压的电容)相同大小的电容器,例如选择2的增益。为了获得这个,例如驱动补偿电容器78的放大器装置77可以具有2或近似2的增益。在一些实施例中,CC可以被选择成稍微大于C0以避免在图7的设备的开环传递函数中的零传输。
[0107] 利用至此讨论的图7的元件,传感器70的膜的位移与放大器装置71、72的电容两端的电压的和成比例。为了获得这些电压的和(其于是对应于传感器的输出信号),提供差动的差分放大器装置(differential difference amplifier arrangement)73。差动的差分放大器装置73也在反馈回路中用作针对图7的实施例的第一和第二反馈路径的控制器。换言之,通过差动的差分放大器装置,有效地确定上述的kd和kv的值。标记为VMP、VMM的差动的差分放大器装置73的输出被馈送到开关装置74,其用于通过有效地交换差动的差分放大器装置73的输出来在该装置的上升和衰减阶段之间进行切换。这有效地改变kc和kv的符号。在一个实施例中,差动的差分放大器装置73的增益(即kd和kv)被选择以使得通过改变符号,在稳定和不稳定增益设置之间或换言之在上升和衰减阶段之间进行改变。经由装置75将开关电路74的输出分别供应给放大器装置76和77。
[0108] 图7的实施例的放大器结构也可以被称为伪差动结构。
[0109] 在图7中示出的实施例中,传感器总是超过其所谓的拉入点而操作。在这样的实施例中,如果出于某种原因位移测量变成错误的(例如由于放大器装置71、72的电容泄漏),则存在传感器的膜将损坏的可能性。在一些实施例中,为了防止这一点,引入刷新周期,其中传感器被偏置到其拉入点以下。这允许膜返回到其平衡位置。
[0110] 尽管上述实施例已经被描述为使用位移反馈(kd≠0)和速度反馈(fv≠0),但是在一些实施例中可以使用这些种类的反馈的仅仅一种。
[0111] 比如图6和7的实施例之类的使用反馈的实施例的增益基本上遵循与对于没有反馈的情况解释的以及例如在等式(9)中表示的相同的通用定律。然而,利用反馈,有效的时间常数τ可以被选择得更小,并且因此在一些实施例中可以获得更高的增益或更高的频率。然而,如果由没有反馈的实施例提供的猝熄频率和增益足以用于特定应用,则没有反馈的实施例可以被使用,因为电路结构更简单。此外,在具有反馈的情况下,初始状态不是-Fa/k',而是
[0112]
[0113] 换言之,在麦克风的情况下由声学力引起的或者在加速度计的情况下由加速度或重力引起的初始位移不同于没有反馈的情况。
[0114] 上述实施例不应被解释为限制性的,但是已经被提供以仅仅提供实施本发明的各种可能性的更好理解。例如,所示出的电路元件可以由具有相同或类似功能的其他元件代替,或者取决于情况,可以完全被省略。
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