一種矽微陀螺儀差分電容檢測電路的製作方法

2023-05-05 18:58:46

本發明涉及矽微陀螺儀技術領域，具體是一種矽微陀螺儀差分電容檢測電路。

背景技術：

矽微機械陀螺儀是mems技術在慣性導航領域的重要應用之一，它利用哥氏效應原理來測量敏感軸的輸入角速率。相較於傳統陀螺儀，它具有體積小、重量輕、成本低、可批量生產、易於集成等優點，微慣性器件的這些特點使得它具有更寬廣的應用範圍，不僅可以用在汽車工程、移動通信、大地測量、地質勘探、微型衛星、運動器材等民用領域，還可以應用在軍事領域上，包括制導炸彈、無人駕駛機智能炸彈等。

矽微陀螺儀的驅動模態利用在電容的兩極板上施加交流電壓，產生靜電驅動力，從而使其產生沿驅動方向的機械振動；當有角速度輸入時，產生的哥氏力使得檢測模態在與驅動方向正交的方向上振動，通過對振動位移信號的提取以及後續處理就可以得到輸入角速度信號。矽微陀螺儀微機械結構中位移的檢測多採用差分電容方式實現，接口電路通過完成電容/電壓轉換以實現對敏感位移的檢測，但是由於微陀螺質量較輕、振動速度較低，由哥氏效應引起位移變化非常微小，導致差分檢測電容變化量在10-18f量級甚至更小，電容相對變化量δc/c為10-8量級，而周圍環境的寄生電容在幾百個ff到幾個pf之間，且寄生電容網絡結構複雜，會引入各種幹擾信號，故矽微陀螺儀輸出信號非常容易受到各種噪聲和幹擾信號的影響。因此，矽微陀螺儀機電接口需要一種高性能的差分電容檢測電路。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種矽微陀螺儀差分電容檢測電路。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明的一種矽微陀螺儀差分電容檢測電路，包括方波發生器、橋式結構連接的模擬開關、參考電容以及差分運算放大器，方波發生器一端接地，另一端連接待檢測矽微陀螺儀差分電容，待檢測矽微陀螺儀差分電容連接橋式結構連接的模擬開關，而參考電容以及差分運算放大器均與橋式結構連接的模擬開關相連接；

方波發生器，用於產生方波電壓信號；

橋式結構連接的模擬開關，在方波正負半周期切換電路狀態，形成相應的充放電迴路；

參考電容，用於方波正負半周期充放電過程中電荷的存儲及積累，並形成與差分電容變化量相關的電壓信號；

差分運算放大器，用於將參考電容上的電壓信號做差後輸出。

其中，方波發生器一端與地相連，另一端與所述矽微陀螺敏感差分電容的公共端相連。

其中，橋式結構連接的模擬開關包括第一模擬開關、第二模擬開關、第三模擬開關及第四模擬開關，第一模擬開關一端與第二模擬開關的一端相連，另一端與第四模擬開關的一端相連；第二模擬開關的另一端與第三模擬開關的一端相連；第三模擬開關的另一端與第四模擬開關的另一端相連。

其中，矽微陀螺敏感差分電容獨立端與第一模擬開關和第二模擬開關的連接端相連，差分電容獨立端與第三模擬開關和第四模擬開關的連接端相連。

其中，參考電容包括第一參考電容和第二參考電容，第一參考電容的一端與第四模擬開關和第一模擬開關的連接端相連，並與差分放大器的反相輸入端相連，第一參考電容的另一端與地相連；第二參考電容的一端與第二模擬開關與第三模擬開關的連接端相連，並與差分放大器的同相輸入端相連。

有益效果：本發明的一種矽微陀螺儀差分電容檢測電路，具有以下有益效果：

(1)無信號調製與解調過程，電路結構簡單，降低了電路具體實現對器件的要求；

(2)電路檢測靈敏度與矽微陀螺敏感差分電容的靜態值成反比，而矽微陀螺儀差分電容靜態值通常在10-12f量級，故具有較高的檢測靈敏度，特別適合應用於矽微陀螺儀差分電容檢測；

(3)信號經差分放大器輸出，可有效抑制共模噪聲。

綜上所述，本發明提出的差分電容檢測電路結構簡單實用，可有效實現矽微陀螺儀敏感差分電容的檢測，提高矽微陀螺儀的信號檢測靈敏度。

附圖說明

圖1為本發明實施方式差分電容檢測電路示意圖；

圖2為本發明實施方式的第一參考電容與第二參考電容上電壓曲線；

圖3為與圖2中第一參考電容與第二參考電容電壓曲線對應的差分放大器輸出電壓曲線。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

如圖1所示，本發明的一種矽微陀螺儀差分電容檢測電路，包括用於產生方波電壓信號的方波發生器vref、在方波正負半周期切換電路狀態，形成相應的充放電迴路的橋式結構連接的模擬開關、用於方波正負半周期充放電過程中電荷的存儲及積累，並形成與差分電容變化量相關的電壓信號的參考電容，以及用於將參考電容上的電壓信號做差後輸出的差分運算放大器，方波發生器一端接地，另一端連接待檢測矽微陀螺儀差分電容，待檢測矽微陀螺儀差分電容連接橋式結構連接的模擬開關，而參考電容以及差分運算放大器均與橋式結構連接的模擬開關相連接。方波發生器vref一端與地相連，另一端與所述矽微陀螺敏感差分電容的公共端相連。橋式結構連接的模擬開關包括第一模擬開關s1、第二模擬開關s2、第三模擬開關s3及第四模擬開關s4，第一模擬開關s1一端與第二模擬開關s2的一端相連，另一端與第四模擬開關s4的一端相連；第二模擬開關s2的另一端與第三模擬開關s3的一端相連；第三模擬開關s3的另一端與第四模擬開關s4的另一端相連。矽微陀螺敏感差分電容獨立端與第一模擬開關s1和第二模擬開關s2的連接端相連，差分電容c1和c2獨立端與第三模擬開關s3和第四模擬開關s4的連接端相連。參考電容包括第一參考電容c3和第二參考電容c4，第一參考電容c3的一端與第四模擬開關s4和第一模擬開關s1的連接端相連，並與差分放大器的反相輸入端相連，第一參考電容c3的另一端與地相連；第二參考電容c4的一端與第二模擬開關s2與第三模擬開關s3的連接端相連，並與差分放大器a0的同相輸入端相連。

具體地，如圖1所示，方波發生器vref一端與地相連，另一端與所述矽微陀螺敏感差分電容c1和c2的公共端相連。第一模擬開關s1一端與第二模擬開關s2的一端相連，另一端與第四模擬開關s4的一端相連；第二模擬開關s2的另一端與第三模擬開關s3的一端相連；第三模擬開關s3的另一端與第四模擬開關s4的另一端相連。

差分電容c1獨立端與第一模擬開關和第二模擬開關的連接端相連，差分電容c2獨立端與第三模擬開關s3和第四模擬開關s4的連接端相連。

第一參考電容c3的一端與第四模擬開關s4和第一模擬開關s1的連接端相連，並與差分放大器a0的反相輸入端相連，第一參考電容c3的另一端與地相連；第二參考電容c4的一端與第二模擬開關s2與第三模擬開關s3的連接端相連，並與差分放大器a0的同相輸入端相連。

本發明工作原理：

結合圖1，圖中c1、c2為矽微陀螺差分電容，且有c1＝c0+δc、c2＝c0-δc，其中c0為差分電容的靜態值，δc為差分電容變化量，第一參考電容c3、第二參考電容c4容值大小均為c。方波發生器vref產生的方波幅度為v，頻率為mhz量級。在方波正半周，第二模擬開關s2、第四模擬開關s4導通，電壓v通過電容c1對第二參考電容c4充電，通過電容c2對第一參考電容c3充電，電容c1、c2上存儲的電荷分別與第二參考電容c4、第一參考電容c3上存儲的電荷中和後重新分布；在方波的負半周，第一模擬開關s1、第三模擬開關s3導通，電壓-v通過電容c1對第一參考電容c3放電，通過電容c2對第二參考電容c4放電，c1、c2上存儲的電荷分別與第一參考電容c3、第二參考電容c4上原有的電荷中和後重新分布。在這個過程中，模擬開關在方波正半周期和負半周期切換狀態。經過多個方波周期後，第一參考電容c3、第二參考電容c4上的電壓將逐漸趨於穩定，差分運算放大器輸出相應趨於穩定。圖2展示了差分電容變化量為δc時，第一參考電容c3、第二參考電容c4輸出電壓的變化，圖3展示了相應的差分放大器a0輸出電壓的變化。

在方波第n個周期的正半周期，第二模擬開關s2、第四模擬開關s4閉合，第一模擬開關s1、第三模擬開關s3斷開，則差分檢測電容c1、c2，第一參考電容c3、第二參考電容c4上此時的電荷量分別等於第n-1個載波負半周期結束時各電容的電荷量。考慮第二模擬開關s2、第四模擬開關s4閉合後的穩態，電容c1與第二參考電容c4，電容c2與第一參考電容c3組成閉合迴路，電荷和電壓可以表示為：

式(a1)中，q1-(n-1)為第n-1個載波負半周期結束時電容c1上存儲的電荷量，q2-(n-1)為第n-1個載波負半周期結束時電容c2上存儲的電荷量，q3-(n-1)為第n-1個載波負半周期結束時第一參考電容c3上存儲的電荷量，，q4-(n-1)為第n-1載波負半周期結束時第二參考電容c4上存儲的電荷量，va+(n)為第n次載波周期正半周電路達到穩態後點a處的電壓，vb+(n)為第n次載波周期正半周電路達到穩態後點b處的電壓，vc+(n)為第n次載波周期正半周電路達到穩態後點c處的電壓，vd+(n)為第n次載波周期正半周電路達到穩態後點d處的電壓，q1+(n)第n個周期的正半周結束時c1上存儲的電荷，q2+(n)第n個周期的正半周結束時c2上存儲的電荷，q3+(n)第n個周期的正半周結束時第一參考電容c3上存儲的電荷，q4+(n)第n個周期的正半周結束時第二參考電容c4上存儲的電荷。

在方波第n個周期的負半周期，第一模擬開關s1、第三模擬開關s3閉合，第二模擬開關s2、第四模擬開關s4斷開，則差分檢測電容c1、c2，第一參考電容c3、第二參考電容c4上此時的電荷量分別等於第n個載波正半周期結束時各電容的電荷量。考慮第一模擬開關s1、第三模擬開關s3導通後的穩態，電容c1與第一參考電容c3，電容c2與第二參考電容c4組成閉合迴路，電荷和電壓可以表示為：

式(a2)中，q1-(n)為第n個載波負半周期結束時電容c1上存儲的電荷量，q2-(n)為第n個載波負半周期結束時電容c2上存儲的電荷量，q3-(n)為第n個載波負半周期結束時第一參考電容c3上存儲的電荷量，q4-(n)為第n個載波負半周期結束時第二參考電容c4上存儲的電荷量，va-(n)為第n次載波周期負半周電路達到穩態後點a處的電壓，vb-(n)為第n次載波周期負半周電路達到穩態後點b處的電壓，vc-(n)為第n次載波周期負半周電路達到穩態後點c處的電壓，vd-(n)為第n次載波周期負半周電路達到穩態後點d處的電壓，q1+(n)第n個周期的正半周結束時c1上存儲的電荷，q2+(n)第n個周期的正半周結束時c2上存儲的電荷，q3+(n)第n個周期的正半周結束時第一參考電容c3上存儲的電荷，q4+(n)第n個周期的正半周結束時第二參考電容c4上存儲的電荷。

通過對公式a1與公式a2的迭代計算分析可得出：

q為等比序列的公比，且有

因此，考慮該等比序列的初始值。n＝1時，在正半周期，各電容上的初始電荷量均為0，則有：

式(a6)中，q1+(1)為第1個載波負半周期結束時電容c1上存儲的電荷量，q2+(1)為第1個載波負半周期結束時電容c2存儲的電荷量，q3+(1)第1個周期的正半周結束時第一參考電容c3上存儲的電荷，q4+(1)第1個周期的正半周結束時第二參考電容c4上存儲的電荷。q1(0)為施加載波之前第一參考電容c3上存儲的電荷量，q4(0)為施加載波之前第二參考電容c4上存儲的電荷量，va+(1)為第1次載波周期正半周電路達到穩態後點a處的電壓，vb+(1)為第1次載波周期正半周電路達到穩態後點b處的電壓，vc+(1)為第1次載波周期正半周電路達到穩態後點c處的電壓，vd+(1)為第1次載波周期正半周電路達到穩態後點d處的電壓。

根據上式求得：

同理，n＝2時，可求得：

故：

由於vb+(3)-vb+(2)、……vb+(n+1)-vb+(n)成等比數列，其前n項之和為：

則

根據式a(10)與式a(11)，對於差分檢測電容與參考電容初始電荷量為0的初始狀態，經過多個方波周期，當n→+∞時，方波正半周第一參考電容c3上電壓為：

式(12)中，vb+(+∞)為方波正半周第一參考電容c3上電壓穩定後的電壓值。

方波負半周第一參考電容c3上的電壓穩定後的值為：

式(13)中，vb-(+∞)為方波負半周第一參考電容c3上電壓穩定後的電壓值。

同理，可以得出第二參考電容c4上電壓穩定後的值為：

式(14)中，vd+(+∞)為方波正半周c4上電壓穩定後的電壓值，vd-(+∞)為方波負半周第二參考電容c4上電壓穩定後的電壓值。

因此，當第一參考電容c3、第二參考電容c4上電壓穩定時，差分放大器的輸出為：

將c1＝c0+δc、c2＝c0-δc代入上式可得：

式中，vout為差分放大器輸出電壓信號。

通常取得δc<<c0<<c，則上式可化簡為：

式(17)中，vout為差分放大器輸出電壓信號。

即當差分電容c1、c2變化量為δc時，該檢測電路的輸出電壓信號為vout，其值與差分電容的變化量δc成正比，從而根據差分運算放大器輸出電壓大小可以得到矽微陀螺儀的差分電容變化量。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。