具有靜電擺式加速度計(jì)的傳感器以及控制這種傳感器的方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有靜電擺式加速度計(jì)的傳感器以及控制這種傳感器的方 法
[0001] 本發(fā)明涉及靜電擺式加速度計(jì)傳感器以及控制這種傳感器的方法。作為示例，該 傳感器可以是微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)類(lèi)型。
[0002] 靜電擺式加速度計(jì)包括外殼，該外殼具有經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)鉸鏈連接到此的振蕩質(zhì) 量塊（seismicmass)所述一個(gè)或多個(gè)鉸鏈按使得所述振蕩質(zhì)量塊形成可相對(duì)于外殼要么 平移要么旋轉(zhuǎn)地移動(dòng)的擺錘的方式放置。振蕩質(zhì)量塊在加速度的影響下的移動(dòng)通常借助于 三個(gè)電極來(lái)檢測(cè)。靜止的第一和第二電極被固定到外殼并被連接到激勵(lì)器電路。第三電極 是可移動(dòng)的，并由擺錘承載，從而被連接到檢測(cè)器電路。
[0003] 每個(gè)靜止電極與可移動(dòng)電極協(xié)作形成電容量取決于它們之間的間距的電容器。在 不存在任何制造缺陷的情況下并且當(dāng)傳感器沒(méi)有經(jīng)受沿其傳感軸的加速度時(shí)，擺錘保持在 中立位置，在此位置，這兩個(gè)電容是相同的。相反，當(dāng)擺錘經(jīng)受沿其傳感軸的加速度時(shí)，它就 移動(dòng)，由此降低了由可移動(dòng)電極和靜止電極之一形成的電容量，并增加了由可移動(dòng)電極和 另一所述靜止電極形成的電容量。電容量中的這種變化也取決于外殼和擺錘的變形。
[0004] 在開(kāi)環(huán)操作中，沿傳感器的感測(cè)軸施加的加速度是從這兩個(gè)電容量之間存在的差 中推導(dǎo)出的。然而，這種操作模式存在幾個(gè)缺陷：
[0005] 當(dāng)擺錘繞軸旋轉(zhuǎn)地移動(dòng)時(shí)，感測(cè)軸的方向取決于該擺錘的位置而變化；
[0006] 存在由電容器的結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性（不同區(qū)域的電極和/或電極之間的不同間隙） 造成的偏移；
[0007] 由于電容量根據(jù)電極的移動(dòng)而呈非線(xiàn)性的方式，存在測(cè)量非線(xiàn)性性；
[0008] 在擺錘移動(dòng)期間，擺錘周?chē)臍怏w壓縮與膨脹，由此在擺錘上產(chǎn)生力；
[0009] 由于擺錘的諧振頻率，通帶是窄的。
[0010] 在閉環(huán)操作中，擺錘的位置是通過(guò)向擺錘施加靜電力而被伺服控制到中間位置或 到設(shè)定點(diǎn)位置（靜止電極之間的中間位置）的。因此，靜電力必定補(bǔ)償沿感測(cè)軸施加的加 速度，由此使得加速度能夠被估計(jì)出。靜電力是向電極施加電壓以保持電容量之間的差為 零的結(jié)果。
[0011] 傳感器具有用于每個(gè)靜止電極的激勵(lì)器電路，所述激勵(lì)器電路被布置成為電極供 電以便生成所述靜電力。
[0012] 靜電力相對(duì)于所施加的電壓的均方根（rms)特性使得對(duì)用于對(duì)擺錘進(jìn)行伺服控 制并估計(jì)加速度的控制電路的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。為了解決該難點(diǎn)，已知使用校準(zhǔn)的電壓脈沖 將開(kāi)/關(guān)控制施加到擺錘。取決于為了使擺錘朝向其設(shè)定點(diǎn)位置返回而將拉擺錘還是推擺 錘來(lái)將所述脈沖施加到所述電極中的一個(gè)或另一個(gè)。因此，用于推（或拉）擺錘的脈沖密 度（即在一時(shí)間區(qū)間上的脈沖數(shù)）是要被測(cè)量的加速度的仿射函數(shù)。由此，零加速度可以 由兩個(gè)方向上平均起來(lái)等同數(shù)目的脈沖來(lái)補(bǔ)償。
[0013] 然而，如果向這兩個(gè)電極施加的脈沖的對(duì)稱(chēng)性是不完美的（主要由于分別向第一 和第二靜止電極施加的脈沖的持續(xù)時(shí)間之間的差），則通過(guò)伺服控制來(lái)修改脈沖密度以便 將擺錘維持在設(shè)定點(diǎn)位置，由此使得加速度估計(jì)有偏差。作為示例，采用其中在控制階段期 間所施加的每個(gè)電壓施加等同于50g(克）的擺錘的加速度的平均力達(dá)持續(xù)時(shí)間Ts= 1微 秒（y S)的加速度計(jì)，以便使這樣的加速度計(jì)的偏差維持到小于50 y g(微克）的值，這對(duì) 于將脈沖的對(duì)稱(chēng)性控制為具有小于比率50 y g/50g(即小于1x10-6)的誤差來(lái)說(shuō)是必要的。 因此，必須按使得不對(duì)稱(chēng)性不超過(guò)1x10 6xl y s (即1皮秒（ps))的方式來(lái)控制向每個(gè)電極 施加的脈沖的持續(xù)時(shí)間，而這是極其困難的。
[0014] 這樣，因此不對(duì)稱(chēng)性的實(shí)現(xiàn)（這構(gòu)成了開(kāi)/關(guān)控制的薄弱點(diǎn)）是從這樣的傳感器 獲得更好的性能的主要障礙。
[0015] 本發(fā)明的目的是提供允許這樣的傳感器的性能被利用的手段。
[0016] 為此，根據(jù)本發(fā)明，提供了包括至少一個(gè)靜電擺式加速度計(jì)的加速度計(jì)傳感器，所 述靜電擺式加速度計(jì)具有被緊固到外殼并被連接到激勵(lì)器電路的靜止的第一和第二電極， 以及由連接到外殼的擺錘承載從而可移動(dòng)并且被連接到檢測(cè)器電路的第三電極。激勵(lì)器電 路具有被連接到開(kāi)關(guān)的輸出，所述開(kāi)關(guān)被連接到第一和第二電極，所述開(kāi)關(guān)具有用于選擇 性地將所述第一電極或第二電極連接到激勵(lì)器電路的第一連接位置和第二連接位置，并且 所述激勵(lì)器電路、開(kāi)關(guān)和檢測(cè)器電路被連接到控制電路，所述控制電路被布置成使得所述 第一和第二電極由脈沖按使得將擺錘保持在設(shè)定點(diǎn)位置的方式并按使得確定所述擺錘經(jīng) 受的加速度的方式來(lái)激勵(lì)。
[0017] 這樣，脈沖被同一激勵(lì)器電路遞送到每個(gè)電極，由此限制了與結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)性和激 勵(lì)器電路的電子器件的老化相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。
[0018] 本發(fā)明還提供了一種用于控制傳感器的方法，所述傳感器包括至少一個(gè)靜電擺式 加速度計(jì)，所述靜電擺式加速度計(jì)具有被固定到外殼并被連接到激勵(lì)器電路的靜止的第一 和第二電極，以及由連接到外殼的擺錘承載從而可移動(dòng)并且被連接到檢測(cè)器電路的第三電 極。所述控制方法包括以下步驟：
[0019] 通過(guò)檢測(cè)脈沖以交替方式激勵(lì)靜止電極中的第一個(gè)電極隨后激勵(lì)另一個(gè)電極，以 便檢測(cè)可移動(dòng)的電極和各個(gè)靜止電極之間的第一電容量和第二電容量；
[0020] 從檢測(cè)到的電容量中估計(jì)擺錘的位置；
[0021] 確定與估計(jì)出的位置和設(shè)定點(diǎn)位置之間的差相對(duì)應(yīng)的伺服控制誤差；
[0022] 基于伺服控制誤差來(lái)確定指定下一檢測(cè)脈沖將推還是拉擺錘的命令。
[0023] 根據(jù)所述設(shè)定點(diǎn)位置和確定的命令來(lái)計(jì)算要被測(cè)量的加速度；以及
[0024] 在控制階段期間，通過(guò)用于將受伺服控制的誤差伺服控制到零的控制脈沖來(lái)激勵(lì) 所述靜止電極中的一個(gè)電極或另一電極。
[0025] 在閱讀了下面的對(duì)特定的非限制性本發(fā)明的實(shí)施例之后，本發(fā)明的其他特征以及 優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)。
[0026] 對(duì)附圖作出參考，在附圖中：
[0027] 圖1是在本發(fā)明的第一實(shí)施例中的傳感器的示意圖；
[0028] 圖2是在第二實(shí)施例中的傳感器的局部示意圖；
[0029] 圖3是類(lèi)似于圖2的示出在第三實(shí)施例中的傳感器的示圖；以及
[0030] 圖4是示出如何控制傳感器的時(shí)序圖。
[0031] 參考這些附圖，本發(fā)明的加速度計(jì)傳感器包括靜電擺式加速度計(jì)，在圖1中整體 給出。加速度計(jì)1包括連接到振蕩質(zhì)量塊3的外殼2,振蕩質(zhì)量塊3經(jīng)由鉸鏈4連接到外殼 2,鉸鏈4按使得振蕩質(zhì)量塊3形成可通過(guò)繞軸移動(dòng)相對(duì)于外殼2移動(dòng)的擺錘的方式放置。
[0032] 振蕩質(zhì)量塊在加速度的影響下的移動(dòng)通常借助于三個(gè)電極來(lái)檢測(cè)。加速度計(jì)1包 括靜止的第一電極5. 1和靜止的第二電極5. 2,它們被固定到外殼2并被連接到激勵(lì)器電路 (以標(biāo)號(hào)6整體給出），以及構(gòu)成振蕩質(zhì)量塊3并被連接到檢測(cè)器電路的第三電極5. 3 (以 標(biāo)號(hào)7整體給出）。以標(biāo)號(hào)8整體給出的控制電路被連接到激勵(lì)器電路6和檢測(cè)器電路7 以便對(duì)其進(jìn)行控制。
[0033] 激勵(lì)器電路6具有連接到開(kāi)關(guān)9的輸出，所述開(kāi)關(guān)被連接到第一電極5. 1和第二 電極5. 2。開(kāi)關(guān)9具有用于選擇性地將所述第一電極5. 1和第二電極5. 2連接到激勵(lì)器電 路6的第一連接位置和第二連接位置。更具體地，開(kāi)關(guān)9具有被布置成將第一電極5. 1要 么連接到激勵(lì)器電路6的輸出（第一連接位置）要么連接到地（第二連接位置）的選擇器 1:，以及被布置成將第二電極5. 2要么連接到激勵(lì)器電路6的輸出（第二連接位置）要么 連接到地（第一連接位置）的選擇器12。開(kāi)關(guān)9被連接到控制電路8以便由其控制。
[0034] 控制電路8具有第一估計(jì)器10,所述第一估計(jì)器10具有連接到檢測(cè)器電路7的 輸入和連接到求和電路11的負(fù)輸入的輸出，求和電路11具有連接到連接器12的輸入的輸 出，所述連接器12具有連接到定序器13的輸出?？刂齐娐?還具有第二估計(jì)器14,該第二 估計(jì)器14具有連接到校正器12的輸出的輸入、連接到求和電路11的加性輸入的輸出以及 提供加速度估計(jì)勺輸出。
[0035] 在圖1所示的第一實(shí)施例中，激勵(lì)器電路6具有數(shù)模轉(zhuǎn)換器15,該數(shù)模轉(zhuǎn)換器15 被連接到開(kāi)關(guān)9并由控制電路8控制。
[0036] 檢測(cè)器電路7具有主放大器級(jí)16,主放大器級(jí)16包括提供有電容量(；^的反饋電 容器18和選擇器1 3的負(fù)載放大器17。該放大器級(jí)具有連接到第三電極5. 3的輸入和連接 到模數(shù)轉(zhuǎn)換器19的輸入的輸出，模數(shù)轉(zhuǎn)換器19具有連接到控制單