技术领域
[0001] 本
发明属于MEMS微惯性仪表领域。特别涉及采用体
硅加工微机械结构设计和集成
电路设计的一种电容式微加速度计。
背景技术
[0002] 电容式微加速度计被广泛应用于民用工业控制和军事等领域，电容式微加速度计，具有低功耗、高灵敏度、结构简单、固有的低
温度敏感性等优点。机械
传感器与
信号读出、处理电路的
接口是电容式微加速度计设计的主要问题，很多情况下，接口电路在一定程度上决定了微加速度计的
分辨率。传统的信号读出、处理电路由分立元件制作，不但体积大，分辨率低，而且还存在重复性、可靠性等方面的问题，与微机械传感器形成很大的反差，使微传感器的优势大为打折；现有的微加速度计大多采用传感器与
信号处理电路在印刷
电路板(printedcircuit board简称PCB)上组成系统，不但体积大、电路复杂而且采用手工制作，因此存在成本高、成品率低的问题。因此，信号处理电路的集成化、微加速度计的系统化、小型化、封装化是必然的趋势。
发明内容
[0003] 本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种电容式微加速度计，使其较之以往的加速度计具有结构简单、低成本、低功耗、集成化、批量化；
[0004] 本发明的技术方案：
[0005] 本发明的采用微机械传感器和信号处理电路两
块芯片分别集成，整体封装，最终实现封装系统内结构(system in package简称SIP)；所述微机械传感器1采用全差分的微机械结构敏感元件；所述信号处理电路为信号读出和处理的集成电路，该信号处理电路包括全差分
开关电容SC电荷
放大器2(增益可调整的全差分开关电容(switched-capacitor简称SC)电荷放大器前端电路模块)，一阶开关电容低通
滤波器(SC low-passed filter简称SC LPF)3，
仪表放大器4，偏置
电压、
电流产生电路5，自测电路6以及时钟产生电路7组成；上述微机械传感器1的全差分输出通过电气接口MEMS-IC与微机械传感器1兼容的后续电路全差分SC电荷放大器2的输入端连接；所述全差分SC电荷放大器2的输出与一阶开关电容
低通滤波器3输入连接，同时连接到仪表放大器4的输入；自测电路6的输入、还同时分别与偏置电压、电流产生电路5和仪表放大器4的连接点、时钟产生电路7和仪表放大器4的连接点连接。
[0006] 上述信号读出、处理电路包括由一个全差分SC电荷放大器2(增益可调整的全差分开关电容(switched-capacitor简称SC)电荷放大器)组成前端电路模块和由一阶开关电容低通滤波器(SC LPF)3与一个仪表放大器4组成的后端级联电路模块及一个由偏置电压、电流产生电路5、自测电路6和时钟产生电路7组成的辅助电路模块。本发明系统级设计采取两芯片方案，分别集成，整体封装，最终实现封装内系统(SIP)。
[0007] 本发明特点是具有片载时钟发生器，为整个芯片提供符合要求的工作时序。片载参考电压发生器和
偏置电路发生器分别为芯片提供参考电压和偏置电流。自测电路用来实现芯片工作状态的自我标定。
[0008] 本发明的敏感
质量元件可以沿齿枢轴向运动。这种结构主要是敏感距离小的一侧形成的电容量，可忽略距离大的一侧的电容量。若干对动齿和固定齿形成总体差动检测电容和差动加
力电容。
[0009] 本发明的有益效果是，本发明为一
开环系统，简化了系统复杂度，降低了加工成本和难度，提高了性能和成品率，又与后续用PCB板实现
闭环系统兼容，为进一步提高性能提供了可行性。系统中的全差分SC电荷放大器具有增益可编程调整的特点，全差分结构可以消除共模噪声，提高
电源电压抑制比、消除
偶次谐波。本发明作为一种新颖的电容式微加速度计，广泛应用于民用工业控制和军事等领域本发明主要包含微机械传感器和信号处理电路两块芯片，采用两芯片方案，分别集成，系统封装，有效的减小了体积，提供了
稳定性、可靠性，降低了成本，提高成品率。
附图说明
[0011] 图2电容式微加速度计系统实现详图；
[0012] 图3电气接口设计示意图；
[0013] 图4增益可调整的全差分SC电荷放大器前端电路模块；
[0014] 图5一阶SC LPF与一个仪表放大器组成的后端电路模块；
[0015] 图6两相不交迭时钟示意图。
具体实施方式
[0016] 下面结合附图对本发明的原理、结构和具体实施方式作进一步的说明。
[0017] 如图1、图2所示的电容式微加速度计的系统框图和实现详图，主要包含微机械传感器和信号处理电路两块芯片，采用两芯片方案，分别集成，系统封装。
[0018] 本发明中的微机械传感器采用全差分式微机械结构，实现两对差动电容，敏感元件、电气接口的高交叉耦合抑制设计，达到微机械传感器和信号处理电路兼容。
[0019] 本发明中的信号读出、处理电路，包含增益可调整的全差分SC电荷放大器2，作为信号读出、处理电路的前端电路模块(如图4所示)、一个由一阶开关电容低通滤波器(SC LPF)3与一个仪表放大器4组成的后端级联电路模块(如图5所示)及一个由偏置电压、电流产生电路5、自测电路6和时钟产生电路7组成的辅助电路模块。在图4、5中，CS1，2和CR1，2都是微加速度计的敏感电容；其中CA1，2是片内放大电容。输出共模电平(output common mode voltage简称VOCM)由共模反馈(common-mod feedback简称CMFB)电路确定在0.5VDD，输入共模电平有传感器敏感电容确定在0.5VDD。同时，放大电容为一个采用二进制权重(binary-weighted)的4位数字可编程电容阵列(PCA)。全差分的电路拓扑结构有助于减小衬底噪声之类的共模噪声。采用CMOS开关，不需要不交迭时钟的延时相，在本电路结构中，只用到两相不交迭时钟(如图6所示)。
[0020] 本发明中的中微机械传感器主要用来敏感外界加速度计，并转换为等量电容。微机械结构敏感元件是一个微机械的全差分结构(图3)。其电气接口方式专为后续电路设计。这种电气接口方式的优选方案，其基本原理与优势在于：
[0021] 如图3(a)所示，由于微机械结构敏感元件的质量片运动的模态为一阶模态上下平动，二阶模态扭摆。为提高系统的分辨率，保证模型理想性，降低交叉耦合灵敏度，应通过图3(a)的电气连接方式保证在检测电路的原理上对二阶扭摆模态不响应。
[0022] 如图3(a)所示，为保证开环微加速度计系统的微机械结构在敏感质量片上下平动时，两侧定
电极的电位不对中间电极的电位形成干扰，应采用图3(a)所示的电极连接方式，以保证定电极的电位在质量片上下运动时对敏感质量片上的电位干扰可以抵消或自补偿。
[0023] 如图3(b)所示，U1为第1对电容的上电极引出焊盘，U2为第2对电容的上电极引出焊盘，D1为第1对电容的下电极引出焊盘，D2为第2对电容的下电极引出焊盘，M是敏感质量片即电容对中间电极，S是环绕微机械结构一周的作为保护环的导电衬底掺杂
单晶硅材料。
[0024] 按照如图3(a)所示的电气接口方式，采用如图3(b)所示的两端分别引出焊盘安排方式，有利于保证在键线时两个电容对相关电路的对称性和一致性，为在外封装和后续电容检测电路间引入基准电压Vm带来了便利，从而为降低系统噪声提供了保证。
[0025] 本发明中的增益可调整的全差分SC电荷放大器前端电路模块主要是把微机械传感器差分变化电容转换为差分电压，同时，该全差分SC电荷放大器的放大电容为一个采用二进制权重的4位数字可编程电容阵列。通过编程实现微加速度计的放大倍数在线调整。前端电路的工作原理如下：
[0026] 为
采样相时(Φ1＝高电平，Φ2＝低电平)，CS1，2和CR1，2被充电至0.5VDD，放大电容CA1，2被放电只零电位；同时，相关双采样(correlated-double-sampling简称CDS)电容CCDS积累和保存及时低频噪声。
[0027] 为放大相时(Φ1＝低电平，Φ2＝高电平)，积累在CS1，2和CR1，2上的电荷传送到CA1，2上，而CCDS抵偿了缓慢变化的失调和及时低频噪声。CMOS开关的使用有助于改善电荷注入和时钟馈通效应。消除了敏感质量块上开关的翻转有助减小时钟噪声并降低功耗。为简单起见，认为原先充电电容CS1，2和CR1，2上的初始电压为直流电压源与电容
串联在一起，同时认为
跨导放大器(operationaltransconductance简称OTA)的开环增益非常大，因此放大器的输入
节点(VA1，VA2)为虚地点(隔离节点)。从采样相到放大相在虚地节点VA1，VA2使用电荷重分配可以得到下式：
[0028] CS1(VDD-VA1)-CR1VA1＝CA1(VA1-VO1)……………………(1)
[0029] CS2(VDD-VA2)-CR2VA2＝CA2(VA2-VO2)…………………….(2)
[0030] 由于VA1，VA2为虚地节点，所以VA1＝VA2＝VICM，又CA1＝CA2＝CA；.......(3)[0031] 所以VOA1＝VOCM-0.5vO和VOA2＝VOCM+0.5vO。………………(4)
[0032] 上式可以写成差模和共模电压形式：
[0033] 0.5(CS+ΔCS)(VDD-VICM)-0.5(CS-ΔCS)VICM＝CA(VICM-VOCM+0.5vO)…..(5)[0034] 0.5(CS-ΔCS)(VDD-VICM)-0.5(CS+ΔCS)VICM＝CA(VICM-VOCM-0.5vO)……(6)[0035] 因此，有上式可以解出输入共模电平VICM和差分
输出电压(ΔVO)：
[0036]
[0037]
[0038] 可以看出，差分输出电压正比于敏感电容变化量ΔCS与可编程放大电容CA的比值。也可以由加速度计系统测量输出噪声电压通过这个线性方程来反计算出电容分辨率。
[0039] 本发明中后端电路模块包含SC LPF和仪表放大器。一阶低通滤波器是最基本的滤波器，有两个参数比较主要：DC增益和-3dB带宽。离散时间集成滤波器广泛采用SC积分器。
[0040] 该滤波器在S域的传输函数如下：
[0041]
[0042] 其中，fs为采用时钟
频率，a1为前向电容a1C与积分电容C的比值，a2为反馈电容a2C比上积分电容C的系数。滤波器的直流增益为一(T0＝1)，通过改变采用时钟频率可以调整期-3dB带宽。滤波器输出端的积分电容C要足够大来确保能够执行采样和保持功能。这里的仪表放大器额外提供两倍的直流增益并把差分输出转换成单端对地输出。图2中R为仪表放大器输入和放大
电阻，Vcm为系统共模电平，VI1，VI2为前端模块输出，Vout为系统输出。Φ1，Φ2为两相不交迭时钟，Vdd和GND为电源电压和零电位。此外，可以采用额外的离片RC滤波器来对
输出信号进行附加带限滤波。
