使用差分电容型传感器的检测电路

摘要

一种装备有差分电容型传感器(1)和接口电路(30)的检测电路(42)，具有电连接到差分电容型传感器(1)的第一传感输入端(7a)和第二传感输入端(7b)。在接口电路中装备有：在输入端连接到第一传感输入端和第二传感输入端(7a、7b)的传感放大器(12)，其提供与差分电容型传感器(1)的电容型不平衡(ΔC

说明书

技术领域

本发明涉及使用差分电容型(differential capacitive)传感器的检测电路，在传感接口中具有输入共模(input-comon-mode)控制，尤其是全差分开关电容(fully differential switched-capacitor)类型的传感接口，下面的描述将以此作为参考，而不意味着丧失任何的通用性。

背景技术

过去的几年中见证了检测电路的广泛使用，在应用中使用差分电容型传感器(例如惯性传感器、加速度计、压力或力传感器)以面对低电源电压和低功率消耗，例如诸如在电池供电的便携式设备(个人数字助理(PDA)、数字音频播放器、无线电话、数字便携式摄录一体机以及类似设备)中。如已知的，电容型差分传感器的操作基于电容型不平衡，这作为被测量(加速度、压力、受力等)的函数出现。尤其是以半导体材料微型制造技术获得的微电机系统(MEMS)传感器使用广泛。根据已知的方式，这些传感器包括固定的部分(“固定片(stator)”)和可移动主体(用术语“动片(rotor)”表示)，两者通常由经过适当掺杂的半导体材料制成并通过弹性元件(弹簧)相连接和约束，因此，动片相对于固定片具有预定的平移和/或转动自由度。固定片具有多个固定臂，动片具有多个移动臂，所述臂彼此相对从而形成电容器对，其电容值作为臂的相对位置的函数而变化，即作为动片相对于固定片的相对位置的函数。从而，当传感器受到待测量影响时，动片发生移动并且电容器对出现电容型不平衡(capacitive unbalancing)，从中可以确定所需量。根据结构类型以及固定片和动片间相对移动的类型，可以提供线性或转动类型的MEMS传感器，其具有不同的间隙(即，移动臂和相应固定臂之间的距离)和/或具有不同的相对程度(即，移动臂和相应固定臂之间相互面对的面积的变化)。

仅仅作为例子，图1a示例性地图示了线性MEMS类型的差分电容型传感器1。无论如何应当理解为，下面的说明适用于具有不同配置的MEMS传感器。详细地，差分电容型传感器1包括：固定片，其中只图示了其第一固定臂2a和第二固定臂2b；以及动片，其由移动主体3和固定到移动主体3的移动臂4组成。每个移动臂4设置于相应的第一固定臂2a和第二固定臂2b之间。移动主体3通过弹簧5悬挂于锚定元件6，并且可沿轴x移动，该轴x组成了差分电容型传感器1的优选检测轴。第一固定臂2a和第二固定臂2b分别电连接到第一固定片接线端7a和第二固定片接线端7b，同时移动臂4电连接到动片接线端8。

如图1b所示，差分电容型传感器1具有等效电路，其包括第一传感电容器9a和第二传感电容器9b，其具有平面的、平行的表面，以“半桥”结构排列，即串联在第一固定片接线端7a和第二固定片接线端7b之间，并共同具有动片接线端8。第一传感电容器9a和第二传感电容器9b的电容值是可变的，且为移动臂4和固定臂2a、2b之间距离的函数，从而构成了动片相对于固定片位移的函数。尤其是，第一传感电容器9a与形成于第一固定臂2a和移动臂4之间的电容并联，同时第二传感电容器9b与形成于第二固定臂2b和移动臂4之间的电容并联。当差分电容型传感器1沿轴x受到加速时，移动主体3沿该轴移动，从而第一传感电容器9a和第二传感电容器9b产生电容变化，所述变化绝对值相等并且符号彼此相反。尤其是，给定第一传感电容器9a和第二传感电容器9b以相同静态传感电容值C_s(假定差分电容型传感器1在静态时是对称的)，由于不平衡，假定第一传感电容器9a的电容值等于C_s1＝C_s+ΔC_s，而第二传感电容器9b的电容值等于C_s2＝C_s-ΔC_s。

如已知的，在前述的检测电路中，适当的传感电路连接到差分电容型传感器，且通常包括电荷积分接口级(或者电荷放大器，作为电荷到电压的转换器)和级联到接口级的合适的放大级、滤波级和噪声消除级。传感电路将读取脉冲(具有几伏特范围的电压)施加于动片接线端，读取作为结果的电容型不平衡ΔC_s，并从所述的电容型不平衡中生成与待测量相关的输出电信号。在具有低电源电压和低功耗的应用中，传感电路在分辨率和热、长期(老化)稳定性方面所需的性能是特别苛刻的，并且要求发展读取技术，其尽可能地不受误差例如噪声(热噪声和低频噪声)的和偏置的影响。由于这个原因，例如参见M.Lemkin和B.E.Boser在IEEE Journal of SolidState Circuits，Vol.34，No.4，April 1999，pp.456468上的文章“A ThreeAxis Micromachined Accelerometerwith a CMOS PositionSense Interface and Digital OffeetTrim Electronics”(“具有CMOS位置传感接口和数字式偏置调整电路的三轴微机械加工加速度计”)，并将其全文引入这里，近期提出了使用开关电容类型(工作于离散时间)的全差分传感电路，其使在低电源电压下工作成为可能并且本质上满足了当前功耗缩减的需要。尤其是，连接到全差分传感电路的差分传感器在检测电路中的使用使许多优势的获得成为可能，其中包括：增加对来自电源(和/或集成技术情况下来自衬底)的噪声的抑制；误差的减小，例如电荷注入或者所谓的“时钟馈通(clock feedthrough)”(后者本质上是由于开关的使用)；以及输出信号动态范围以两倍的因数增长。然而，与全差分电路的使用相连的问题关系到需要消除或者至少限制由于在其输入端的共模信号的影响。尤其是，施加到动片接线端(选择使其在适合于设计需要的情况下尽可能地宽，为了增大在传感级输出端的信噪比)的读取脉冲在接口级电荷积分器的输入端产生共模信号。所述的共模信号由共模电荷量(即在电荷积分器两个输入端相同的电荷量)引起，该共模电荷量由第一传感电容器9a和第二传感电容器9b在施加读取脉冲之后注入。为了减小其产生的读取误差，共模信号必须被消除，尤其是取决于电荷积分器输入端的寄生电容(尤其是“衬垫(pad)”电容和衬底电容)失配的增益误差和偏置误差。为了解决这个问题，在前述的文章中提出实施有源类型的输入共模控制电路，其使用了反馈回路(所谓的ICMFB输入共模反馈)。

现在参考图2来简要地描述上面的解决方案，其显示的检测电路包括全差分开关电容型的接口电路10，接口电路10连接到差分电容传感器1，根据前面所做的描述示意性地表示，第一传感电容器9a和第二传感电容器9b具有静态传感电容值C_s并且具有第一接线端和第二接线端，第一接线端连接在一起且连接到动片接线端8、第二接线端分别连接到第一固定片接线端7a和第二固定片接线端7b。接口电路10在输入端连接到第一固定片接线端7a和第二固定片7b，并且包括电荷积分器12和实现ICMFB有源电路作为输入共模控制的反馈级14。寄生电容示意性地表现为第一寄生电容器15和第二寄生电容器16，分别连接在第一固定片接线端7a、第二固定片接线端7b和参考电势线18(特别是与信号地一致)之间，并且具有寄生电容C_p。

详细地，在电荷积分器构造(其实现输入电荷到输出电压的转换)中，电荷积分器12包括传感运算放大器20，其具有连接到第一固定片接线端7a的倒相输入端和连接到第二固定片接线端7b的同相输入端以及两个输出端，在两个输出端之间存在输出电压V_o。电荷积分器12进一步包括第一积分电容器22和第二积分电容器23，它们具有相同的积分电容C_i，前者连接在倒相输入端和一个输出端之间，后者连接在传感运算放大器20的同相输入端和另一个输出端之间。

反馈级14包括放大器电路25和第一反馈电容器26、第二反馈电容器27，两者具有相同的反馈电容C_fb。放大器电路25的结构和操作在上面引用的文章中进行了详细描述，放大器电路25是开关电容电路，具有输出端25a、第一差分输入端25b和第二差分输入端25c以及参考输入端25d，第一差分输入端25b和第二差分输入端25c分别连接到传感运算放大器20的倒相输入端和同相输入端，参考输入端25d连接到参考电势线18。第一反馈电容器26和第二反馈电容器27具有第一接线端和第二接线端，第一接线端彼此连接并且连接到放大器电路25的输出端25a，第二接线端分别连接到第一固定片接线端7a和第二固定片接线端7b。在使用中，放大器电路25检测第一差分输入端25b和第二差分输入端25c之间的电压，确定其平均数值，并在输出端25a生成与所述平均数值和参考电势线18的参考电压之间差值成比例的反馈电压V_fb。

通过在动片接线端8(和移动主体3)提供阶跃读取信号V_r(其电压变化数值例如等于接口电路10的电源电压，或者等于所述电源电压的几分之一)，可以获得差分电容型传感器1的读数。电容积分器12对第一传感电容器9a和第二传感电容器9b提供的(即由两个电容器的电容型不平衡ΔC_s造成的)电荷差分量求积分，并且从而生成输出电压V_o。尤其是，输出电压V_o符合下面的比例关系：

$>>>V>o>>\propto >>V>r>>>>\Delta >>C>s>>>>C>i>\; >>>$

其中如先前提到的，ΔC_s是差分电容型传感器1的电容型不平衡，即第一传感电容器9a和第二传感电容器9b的相等且反相的电容变化，其由于移动主体4相对于固定片的位移而产生。通过反馈电压V_fb，反馈级14使第一固定片接线端7a和第二固定片接线端7b相对于参考电压保持常数共模电压。此外，因为传感运算放大器20保持其输入端间电压基本为零，所以第一固定片接线端7a和第二固定片7b实际上是虚地点。这样，寄生电容器15、16对传感电路的影响被消除，以至于它们保持在常数电压并且从而不吸收电荷。

然而，即使反馈级14是有利的以至于可能消除共模问题，设计必须考虑低电源电压和低功率消耗的需要。尤其是，放大器电路25的输出动态范围必须一定小于接口电路10的电源电压；例如，它必须等于所述电源电压的三分之一。在防读取信号V_r的电压变化等于电源电压的情况下，反馈电容器26、27的反馈电容C_fb必须大于差分电容型传感器1的静态传感电容C_s；例如，它必须等于所述数值的三倍。然而如所引用文章中描述的，在传感运算放大器20输入端由于噪声造成的电压波动引起积分电容器22、23中电荷的流动，所述电荷来自传感电容器9a、9b和寄生电容器15、16，这致使以等于下式的因数放大噪声：

$>>>sup>>V>o>2sup>>‾>>sup>>V>op>2sup>>‾>\; >=>>>(>1>+>>>>C>s>>+>>C>p>>+>>C>fb>>>>C>i>\; >)>>2>>>>$

其中V_op是等效输入噪声发生器的数值。从而由所述关系显而易见，由电荷积分器12输出的噪声当反馈电容C_fb数值增加时以二次方形式增加。从而，为了降低输出噪声(或者等效为在给定的相同噪声情况下降低电流消耗)，所述数值应当被尽可能地抑制。尽管ICMFB电路的引入解决了与共模相关的问题，但是因为需要高数值的反馈电容C_fb其自身包括不可忽略的电流消耗(由于放大器组件的出现)，，所以其存在使传感接口噪声性能恶化(或者进一步在给定相同噪声的情况下增加电流消耗)的风险。电流消耗对于便携式应用来说甚至可能是过大的。

发明内容

因此，本发明的目的是为差分电容型传感器提供接口电路，其将使前述的缺点和问题得到解决，特别是具有在电流消耗和噪声方面不危及性能的输入共模控制电路。

按照本发明的检测电路拥有差分电容型传感器和接口电路，该接口电路具有电连接到所述差分电容型传感器的第一传感输入端和第二传感输入端，所述接口电路包括：

传感放大器装置，在输入端连接到所述第一传感输入端和所述第二传感输入端，配置其来提供与所述差分电容型传感器的电容型不平衡相关的输出信号；和

第一共模控制电路，连接到所述第一传感输入端和所述第二传感输入端，配置其来控制出现在所述第一传感输入端和所述第二传感输入端的共模电量，

其特征在于：所述第一共模控制电路是完全无源类型的。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在仅仅通过非限制性的例子以及参考附图来描述其优选的实施方式，其中：

图1a显示了已知类型的差分电容型传感器的示意性表示；

图1b显示了图1a中所示传感器的等效电路；

图2显示了使用图1中所示传感器的检测电路的电路图，其也是已知类型的；

图3显示了根据本发明第一实施方式的检测电路的电路图；

图4显示了检测电路的第二实施方式电路图；以及

图5显示了装配有图3或图4所示类型检测电路的电子设备的示意性方块图。

具体实施方式

对于差分电容型传感器传感接口中的输入共模控制，本发明的一个方面设想使用一种完全无源类型的电路(从而定义了输入共模无源控制ICMPC)，其被配置来生成共模电荷量，该共模电荷量与由于施加读取脉冲而使传感器生成的共模电荷量的绝对值相等、符号相反。这样，在传感接口的输入端上保持了共模电荷平衡和共模电压值恒定。

图3中，相似的部件使用和前面使用的相同附图标记来识别并且不再详细描述，图3说明了检测电路包括接口电路30和差分电容型传感器1。详细地，差分电容型传感器1再次用第一传感电容器9a和第二传感电容器9b来示意性表示，第一传感电容器9a和第二传感电容器9b分别连接在动片接线端8与第一固定片接线端7a之间和动片接线端8与第二固定片接线端7b之间。接口电路30在输入端连接到第一固定片接线端7a和第二固定片接线端7b，并且包括电荷积分器12和完全无源(ICMPC)类型的第一共模控制电路32。此外，电荷积分器12输入端的寄生电容示意性表示为第一寄生电容器15和第二寄生电容器16，其分别连接在第一固定片接线端7a与参考电势线18之间和第二固定片接线端7b与参考电势线18之间，且其具有寄生电容C_p。电荷积分器12包括：电荷积分器结构中的传感运算放大器20，其连接到第一固定片接线端7a和第二固定片接线端7b，并提供输出电压V_o；以及第一积分电容器22和第二积分电容器23。第一共模控制电路32具有第一输出端32a、第二输出端32b和驱动接线端32c，第一输出端32a和第二输出端32b分别连接到第一固定片接线端7a和第二固定片接线端7b之间。

根据本发明的一个方面，第一共模控制电路32是电容型电路，该电容型电路具有和差分电容型传感器1的等效电路基本相同的电路构造，从而包括第一控制电容器34和第二控制电容器35，其第一接线端彼此连接并且连接到驱动接线端32c，其第二接线端分别连接到第一输出端32a和第二输出端32b，并且具有相同数值的控制电容C_pa，特别是基本等于传感电容C_s。在使用中，通过第一信号发生器36施加读取信号V_r到差分电容型传感器1的动片接线端8；特别地，读取信号V_r为具有第一电压变化范围ΔV_r的阶跃(step)脉冲。驱动信号通过第二信号发生器37施加到驱动接线端32c；驱动信号也是阶跃脉冲，其具有第二电压变化范围-ΔV_r，且和第一变化范围ΔV_r相等并且反号(并且基本是同步的)。尤其是在读取信号V_r具有周期性模式(例如脉冲序列)的情况下，驱动信号相对于读取信号V_r是180°异相的(即相位相反)。

从而第一控制电容器34和第二控制电容器35在电荷积分器12的输入端上生成共模电荷量，该共模电荷量等于并且相反于第一传感电容器9a和第二传感电容器9b生成的共模电荷量(换句话说，控制电容器注入/抽取的电荷量等于传感电容器抽取/注入的电荷量)。这样所述接线端上的共模电压数值保持常数，并且处于常数电压下的寄生电容15、16不吸收电荷，其作用受到抑制。

因为所描述的电路是基于开环控制的，只要控制电容器34、35的控制电容C_pa有效地等于差分电容型传感器1的传感电容C_s，就可以控制输入共模。从而，在由于实施原因(例如由于使用不同的技术)而使控制电容C_pa不同于传感电容C_s的情况下，或者随着时间在经历不同的老化和漂移影响的任何情况下，本发明又一方面设想与第一共模控制电路32相结合使用ICMFB有源类型的第二共模控制电路14，其实现了闭合反馈环路。

特别是(参见图4)，根据本发明第二实施方式的检测电路也包括第二共模控制电路14，其基本类似于参考背景技术所描述的ICMFB电路，从而具有放大器电路25和第一反馈电容器26、第二反馈电容器27，且其具有反馈电容C_fb′并且分别连接在放大器电路25的输出端25a和第一固定片接线端7a之间以及放大器电路25的输出端25a和第二固定片接线端7b之间。然而在这种情况下，反馈电容C_fb′的数值可以比背景技术中的相应数值小得多，特别是小于传感电容C_s。事实上，由于存在与第一共模控制电路32的结合，第二共模控制电路14只须平衡可能由于制造工艺差异而引起的传感电容C_s和控制电容C_pa之间的差异，并且生成少量的与所述差异成比例的电荷(再次通过反馈电压V_fb)。从而，传感接口的电流消耗和噪声影响在这种情况下也受到抑制，并且适合于便携式应用。

如图5所示，所描述的接口电路30可以有利地用于电子设备40。电子设备40例如是便携式装置，诸如移动电话、数字音频播放器、PDA、数字便携式摄录一体机或数字照相机、或者便携式电脑(膝上型电脑)，其装配有检测电路42(特别是以ASIC专用集成电路的形式提供)，其被配置来确定与电子设备40关联的给定量(例如加速度、压力、受力等)的数值。检测电路42包括：差分电容型传感器1(例如加速度计、压力传感器、力传感器等)，其被配置来检测所述的量并且生成作为其数值的函数的差分电容性变化；以及关联到差分电容型传感器1的传感级44。传感级44依次包括：前述的接口电路30，其被配置来将电容型不平衡ΔC_s转换为输出电信号V_o；以及例如使用相关双采样(CDS)技术的增益和滤波电路45，其被配置来对所述输出电信号进行放大和滤波，并且生成能够在电子设备40中使用的传感信号。为此，检测电路42在输出端连接到电子设备40的微处理器电路46，其被配置来启动电子设备40的作为传感信号数值的函数的给定功能。有利地，根据本发明的一个方面，检测电路42制造在单个硅片上，从而在差分电容型传感器1和传感级44之间不会存在构造上的工艺差异。

根据前面的描述，所描述检测电路的优点是清楚的。

应当强调，无论如何，所提出的电路减小了差分电容型传感器1读取所需的电流消耗。特别是，所述电路减小了输入共模控制所用的总电容进而系统的噪声，或者等效地，减小了在给定相同输出噪声情况下的电流消耗。

所描述的第一实施方式(其中设想仅使用无源电路ICMPC)具有特别简单的配置并且具有非常低的电流消耗，并且在传感电容C_s等于(并且保持等于)控制电容C_pa情况下实现共模控制。由于这个原因，使用相同的工艺来制造用于接口电路30的差分电容型传感器1是特别有利的，特别是在一个相同的硅片中。

第二实施方式在需要补偿前述的电容之间可能存在的差异的情况下是有利的，该差异由于例如组件老化的非一致性引起。无论如何，即使在使用所述实施方式的情况下，反馈电容器26、27的反馈电容C_fb′的数值和背景技术相比是更小的，这有利于减少电流消耗(或者更低输出噪声)。

最后，显而易见，不脱离由附加的权利要求所限定的本发明的范围，这里的描述和示例可以进行修改和变化。

特别是，显然在检测电路中可以使用任何类型的差分电容型传感器，其可以使用MEMS工艺制造或者甚至使用不同的工艺制造。例如，差分电容型传感器可以是位移传感器、陀螺仪、线或角加速度传感器、压力传感器、或者力传感器。

电子设备40也可以是存储设备，例如硬盘，检测电路可以有助于自由降落情况的检测。

进一步，其它类型的波形可以用于读取，读取信号V_r可以例如包括脉冲序列或者阶梯波。在这一点上，用于生成所述读取信号V_r(以及ICMPC控制电路的相应反相驱动信号)的第一信号发生器36和第二信号发生器37可以由任何已知的技术获得，特别是这里没有详细描述的已知方式，即依靠连接到参考电势线的开关。

此外，控制电容C_pa的数值和驱动信号的幅度可以不同，假如它们能够生成共模电荷量以平衡由差分电容型传感器生成的共模电荷量；例如，控制电容C_pa的数值可以是传感电容C_s的两倍(然而，以增大一定的输出噪声为代价)，以及驱动信号的变化值等于相应读取信号变化二分之一。既然这样，只要控制电容和传感电容数值之间的比例保持在设计值，第一共模ICMPC控制电路就工作正常。

最后，如叙述的，接口电路是开关电容器类型的，因此(以这里没有描述的已知方式)以适当的方式设想和控制开关来实现偏置和读取操作。