使用差分电容型传感器的检测电路制造技术

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（△Ｃ↓［ｓ］）相关的输出信号（Ｖ↓［ｏ］）；以及连接到第一传感输入端（７ａ）和第二传感输入端（７ｂ）的共模控制电路（３２），其被配置来控制出现在第一传感输入端（７ａ）和第二传感输入端（７ｂ）上的共模电量。共模控制电路（３２）是完全无源类型的并且装备有电容型电路（３４、３５），其与差分电容型传感器（１）的等效电路基本相同并且使用驱动信号（＊↓［ｒ］）来驱动，该驱动信号（＊↓［ｒ］）相对于施加到差分电容型传感器的读取信号（Ｖ↓［ｒ］）相位相反。

【技术实现步骤摘要】
使用差分电容型传感器的检测电路
本专利技术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。
技术介绍
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Cs(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Cs1＝Cs+ΔCs，而第二传感电容器9b的电容值等于Cs2＝Cs-ΔCs。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ΔCs，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Cs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Cp。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的倒相输入端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种检测电路（４２），其装备有差分电容型传感器（１）以及具有电连接到所述差分电容型传感器（１）的第一传感输入端（７ａ）和第二传感输入端（７ｂ）的接口电路（３０），所述接口电路（３０）包括：传感放大器装置（１２），其在输入端连接到所述第一传感输入端（７ａ）和所述第二传感器输入端（７ｂ），其被配置来提供与所述差分电容型传感器（１）的电容型不平衡（△Ｃ↓［ｓ］）相关的输出信号（Ｖ↓［ｏ］）；以及第一共模控制电路（３２），其连接到所述第一传感输入端（７ａ）和所述第二传感输入端（７ｂ），其被配置来控制出现在所述第一传感输入端（７ａ）和所述第二传感输入端（７ｂ）上的共模电量，其特征在于：所述第一共模控制电路（３２）为完全无源类型的。

【技术特征摘要】
EP 2005-11-29 05425842.11.一种检测电路(42)，其装备有差分电容型传感器(1)以及具有电连接到所述差分电容型传感器(1)的第一传感输入端(7a)和第二传感输入端(7b)的接口电路(30)，所述接口电路(30)包括：传感放大器装置(12)，其在输入端连接到所述第一传感输入端(7a)和所述第二传感器输入端(7b)，其被配置来提供与所述差分电容型传感器(1)的电容型不平衡(ΔCs)相关的输出信号(Vo)；以及第一共模控制电路(32)，其连接到所述第一传感输入端(7a)和所述第二传感输入端(7b)，其被配置来控制出现在所述第一传感输入端(7a)和所述第二传感输入端(7b)上的共模电量，其特征在于：所述第一共模控制电路(32)为完全无源类型的。2.根据权利要求1所述的检测电路，其中所述第一共模控制电路(32)包括生成平衡电量的生成装置(34、35)，从而平衡所述共模电量，并且保持出现在所述第一传感输入端(7a)和所述第二传感输入端(7b)上的共模电压基本恒定；所述共模电量是共模电荷量，所述平衡电量是与所述共模电荷量绝对值相等并且符号相反的电荷量。3.根据权利要求1所述的检测电路，其中所述差分电容型传感器(1)具有等效电路(9a、9b)；以及所述第一共模控制电路(32)包括电容型电路(34、35)，该电容型电路具有与所述等效电路(9a、9b)基本相同的电路构造并且具有被配置来接收驱动信号的驱动接线端(32c)；所述驱动信号具有与使用中施加到所述差分电容型传感器(1)的读取信号(Vr)的读取幅度变化(ΔVr)反号的控制幅度变化(-ΔVr)。4.根据权利要求3所述的检测电路，其中所述电容型电路(34、35)与所述等效电路(9a、9b)是基本相同的，以及所述驱动信号的所述控制幅度变化(-ΔVr)与所述读取信号(Vr)的所述读取幅度变化(ΔVr)是绝对值相等、符号相反、并且基本同步的；具体地，所述驱动信号和所述读取信号(Vr)是相位相反的信号。5.根据权利要求3所述的检测电路，其中所述等效电路(9a、9b)包括第一和第二传感电容器(9a、9b)，第一和第二传感电容器(9a、9b)分别连接在被配置来接收所述读取信号(Vr)的读取接线端(8)与所述第一传感输入端(7a)之间以及读取接线端(8)与所述第二传感输入端(7b)之间，且具有共同的静态电容(Cs)和绝对值相等、符号相反并且等于所述电容型不平衡(ΔCs)的不平衡电容；所述共模电量是由所述第一传感电容器(9a)和所述第二传感电容器(9b)响应所述读取信号(Vr)生成的。6.根据权利要求5所述的检测电路，其中所述差分电容型传感器(1)包括微电机传感器，其具有固定部分(2a、2b)和作为待检测量的函数而相对于所述固定部分自由移动的移动部分(3)，从而生成所述电容型不平衡(ΔCs)；所述读取接线端(8)电连接到所述移动部分(3)，并且所述第一传感输入端(7a)和所述第二传感输入端(7b)电连接到所述固定部分(2a、2b)。7.根据权利要求5所述的检测电路，其中所述电容型电路(34、35)包括连接在所述驱动接线端(32c)与所述第一传感输入端(7a)之间的第一控制电容器装置(34)；以及连接在所述驱动接线端(32c)与所述第二传感输入端(7b)之间的第二控制电容器装置(35)；所述第一控制电容器装置(34)和所述第二控制电容器装置(35)具有与所述第一传感电容器(9a)和所述第二传感电容器(9b)的所述静态电容(Cs)相关的控制电容(Cpa)。8.根据权利要求7所述的检测电路，其中所述第一控制电容器装置(34)和所述第二控制电容器装置(35)具有与所述第一传感电容器(9a)和所述第二传感电容器(9b)的所述静态电容(Cs)基本相等的控制电容(Cp...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤玛索昂加里蒂，欧内斯托拉萨兰德拉，
申请(专利权)人：ST微电子公司，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]