具有静电摆式加速度计的传感器以及控制这种传感器的方法技术

一种加速度计传感器，包括具有静止的第一和第二电极以及第三电极的至少一个静电摆式加速度计，所述静止的第一和第二电极被固定到外壳并被连接到激励电路，而所述第三电极由连接到外壳的摆锤承载以便是可移动的且被连接到检测电路。所述激励电路具有连接到开关的输出，所述开关被连接到第一和第二电极，所述开关具有用于选择性地将所述第一电极或第二电极连接到所述激励电路的第一连接位置和第二连接位置。所述检测电路、激励电路、开关和检测电路被连接到控制电路，所述控制电路被布置成使得第一和第二电极由脉冲串按使得将摆锤维持在预设点位置的方式以及按使得确定摆锤要经受的加速度的方式来激励。一种用于控制这样的传感器的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及静电摆式加速度计传感器以及控制这种传感器的方法。作为示例，该传感器可以是微机电系统(MEMS)类型。静电摆式加速度计包括外壳，该外壳具有经由一个或多个铰链连接到此的振荡质量块(seismic mass)所述一个或多个铰链按使得所述振荡质量块形成可相对于外壳要么平移要么旋转地移动的摆锤的方式放置。振荡质量块在加速度的影响下的移动通常借助于三个电极来检测。静止的第一和第二电极被固定到外壳并被连接到激励器电路。第三电极是可移动的，并由摆锤承载，从而被连接到检测器电路。每个静止电极与可移动电极协作形成电容量取决于它们之间的间距的电容器。在不存在任何制造缺陷的情况下并且当传感器没有经受沿其传感轴的加速度时，摆锤保持在中立位置，在此位置，这两个电容是相同的。相反，当摆锤经受沿其传感轴的加速度时，它就移动，由此降低了由可移动电极和静止电极之一形成的电容量，并增加了由可移动电极和另一所述静止电极形成的电容量。电容量中的这种变化也取决于外壳和摆锤的变形。在开环操作中，沿传感器的感测轴施加的加速度是从这两个电容量之间存在的差中推导出的。然而，这种操作模式存在几个缺陷：当摆锤绕轴旋转地移动时，感测轴的方向取决于该摆锤的位置而变化；存在由电容器的结构的不对称性(不同区域的电极和/或电极之间的不同间隙)造成的偏移；由于电容量根据电极的移动而呈非线性的方式，存在测量非线性性；在摆锤移动期间，摆锤周围的气体压缩与膨胀，由此在摆锤上产生力；由于摆锤的谐振频率，通带是窄的。在闭环操作中，摆锤的位置是通过向摆锤施加静电力而被伺服控制到中间位置或到设定点位置(静止电极之间的中间位置)的。因此，静电力必定补偿沿感测轴施加的加速度，由此使得加速度能够被估计出。静电力是向电极施加电压以保持电容量之间的差为零的结果。传感器具有用于每个静止电极的激励器电路，所述激励器电路被布置成为电极供电以便生成所述静电力。静电力相对于所施加的电压的均方根(rms)特性使得对用于对摆锤进行伺服控制并估计加速度的控制电路的设计变得复杂。为了解决该难点，已知使用校准的电压脉冲将开/关控制施加到摆锤。取决于为了使摆锤朝向其设定点位置返回而将拉摆锤还是推摆锤来将所述脉冲施加到所述电极中的一个或另一个。因此，用于推(或拉)摆锤的脉冲密度(即在一时间区间上的脉冲数)是要被测量的加速度的仿射函数。由此，零加速度可以由两个方向上平均起来等同数目的脉冲来补偿。然而，如果向这两个电极施加的脉冲的对称性是不完美的(主要由于分别向第一和第二静止电极施加的脉冲的持续时间之间的差)，则通过伺服控制来修改脉冲密度以便将摆锤维持在设定点位置，由此使得加速度估计有偏差。作为示例，采用其中在控制阶段期间所施加的每个电压施加等同于50g(克)的摆锤的加速度的平均力达持续时间Ts＝1微秒(μs)的加速度计，以便使这样的加速度计的偏差维持到小于50μg(微克)的值，这对于将脉冲的对称性控制为具有小于比率50μg/50g(即小于1x10-6)的误差来说是必要的。因此，必须按使得不对称性不超过1x10-6x1μs(即1皮秒(ps))的方式来控制向每个电极施加的脉冲的持续时间，而这是极其困难的。这样，因此不对称性的实现(这构成了开/关控制的薄弱点)是从这样的传感器获得更好的性能的主要障碍。本专利技术的目的是提供允许这样的传感器的性能被利用的手段。为此，根据本专利技术，提供了包括至少一个静电摆式加速度计的加速度计传感器，所述静电摆式加速度计具有被紧固到外壳并被连接到激励器电路的静止的第一和第二电极，以及由连接到外壳的摆锤承载从而可移动并且被连接到检测器电路的第三电极。激励器电路具有被连接到开关的输出，所述开关被连接到第一和第二电极，所述开关具有用于选择性地将所述第一电极或第二电极连接到激励器电路的第一连接位置和第二连接位置，并且所述激励器电路、开关和检测器电路被连接到控制电路，所述控制电路被布置成使得所述第一和第二电极由脉冲按使得将摆锤保持在设定点位置的方式并按使得确定所述摆锤经受的加速度的方式来激励。这样，脉冲被同一激励器电路递送到每个电极，由此限制了与结构不对称性和激励器电路的电子器件的老化相关联的问题。本专利技术还提供了一种用于控制传感器的方法，所述传感器包括至少一个静电摆式加速度计，所述静电摆式加速度计具有被固定到外壳并被连接到激励器电路的静止的第一和第二电极，以及由连接到外壳的摆锤承载从而可移动并且被连接到检测器电路的第三电极。所述控制方法包括以下步骤：通过检测脉冲以交替方式激励静止电极中的第一个电极随后激励另一个电极，以便检测可移动的电极和各个静止电极之间的第一电容量和第二电容量；从检测到的电容量中估计摆锤的位置；确定与估计出的位置和设定点位置之间的差相对应的伺服控制误差；基于伺服控制误差来确定指定下一检测脉冲将推还是拉摆锤的命令。根据所述设定点位置和确定的命令来计算要被测量的加速度；以及在控制阶段期间，通过用于将受伺服控制的误差伺服控制到零的控制脉冲来激励所述静止电极中的一个电极或另一电极。在阅读了下面的对特定的非限制性本专利技术的实施例之后，本专利技术的其他特征以及优点将变得显而易见。对附图作出参考，在附图中：图1是在本专利技术的第一实施例中的传感器的示意图；图2是在第二实施例中的传感器的局部示意图；图3是类似于图2的示出在第三实施例中的传感器的示图；以及图4是示出如何控制传感器的时序图。参考这些附图，本专利技术的加速度计传感器包括静电摆式加速度计，在图1中整体给出。加速度计1包括连接到振荡质量块3的外壳2，振荡质量块3经由铰链4连接到外壳2，铰链4按使得振荡质量块3形成可通过绕轴移动相对于外壳2移动的摆锤的方式放置。振荡质量块在加速度的影响下的移动通常借助于三个电极来检测。加速度计1包括静止的第一电极5.1和静止的第二电极5.2，它们被固定到外壳2并被连接到激励器电路(以标号6整体给出)，以及构成振荡质量块3并被连接到检测器电路的第三电极5.3(以标号7整体给出)。以标号8整体给出的控制电路被连接到激励器电路6和检测器电路7以便对其进行控制。激励器电路6具有连接到开关9的输出，所述开关被连接到第一电极5.1和第二电极5.2。开关9具有用于选择性地将所述第一电极5.1和第二电极5.2连接到激励器电路6的第一连接位置和第二连接位置。更具体地，开关9具有被布置成将第一电极5.1要么连接到激励器电路6的输出(第一连接位置)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制传感器的方法，所述传感器包括具有静止的第一和第二电极以及第三电极的至少一个静电摆式加速度计，所述静止的第一和第二电极被固定到外壳并被连接到激励器电路，而所述第三电极由连接到外壳的摆锤承载以便是可移动的且被连接到检测器电路，所述方法包括下述步骤：在两个连续的检测阶段期间，通过检测脉冲以交替方式激励所述静止电极中的第一个电极随后激励另一个电极，以便检测所述可移动的电极和各个静止电极之间的第一电容量和第二电容量；从检测到的电容量中估计所述摆锤的位置；确定对应于在估计的位置和设定点位置之间的差的伺服控制误差；基于所述伺服控制误差来确定指定下一检测脉冲将推还是拉摆锤的命令；根据所述设定点位置和所确定的命令来计算要被测量的加速度；以及在控制阶段期间，通过用于将受伺服控制的误差伺服控制到零的控制脉冲来激励所述静止电极中的一个静止电极或另一个静止电极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.02.19 FR 13/003611.一种控制传感器的方法，所述传感器包括具有静止的第一和第二电极以及第三
电极的至少一个静电摆式加速度计，所述静止的第一和第二电极被固定到外壳并被连
接到激励器电路，而所述第三电极由连接到外壳的摆锤承载以便是可移动的且被连接
到检测器电路，所述方法包括下述步骤：
在两个连续的检测阶段期间，通过检测脉冲以交替方式激励所述静止电极中的第
一个电极随后激励另一个电极，以便检测所述可移动的电极和各个静止电极之间的第
一电容量和第二电容量；
从检测到的电容量中估计所述摆锤的位置；
确定对应于在估计的位置和设定点位置之间的差的伺服控制误差；
基于所述伺服控制误差来确定指定下一检测脉冲将推还是拉摆锤的命令；
根据所述设定点位置和所确定的命令来计算要被测量的加速度；以及
在控制阶段期间，通过用于将受伺服控制的误差伺服控制到零的控制脉冲来激励
所述静止电极中的一个静止电极或另一个静止电极。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定点位置是用时间分布来调制
的，所述时间分布是按使得对所确定的命令的反应与在所述摆锤和所述外壳之间的静
电刚度和机械刚度之间的差成比例的方式来确定的。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述命令对所述调制的反应是通过调
整检测脉冲的形状或持续时间以便所述静电刚度补偿所述机械刚度来消除的。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定点位置被调整以补偿位置估
计偏差。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤被周期性重复，检测所述第
一和第二电容量的阶段从一个周期到另一个周期被互换。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤由松弛阶段分隔开，在所述
松弛阶段期间，所述开关被定位成使得激励电路的电压为零。
7.一种用于执行根据权利要求1所述的方法的加速度计传感器，所述传感器包括
具有静止的第一和第二电极以及第三电极的至少一个静电摆式加速度计，所述静止的
第一和第二电极被紧固到外壳并被连接到激励器电路，而所述第三电极由连接到外壳
的摆锤承载以便是可移动的并且被连接到检测器电路，所述传感器的特征在于：所述
激励器电路具有连接到被连接到第一和第二电极的开关的输出，所述开关具有用于选
择性地将所述第一电极或第二电极连接到所述激励器电路的第一连接位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·布里森，V·拉戈，
申请(专利权)人：萨甘安全防护公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR