电容差检测电路和微机电系统传感器技术方案

本发明专利技术提供了一种电容差检测电路和微机电系统传感器。振荡器分别具有电容器，电容器的电容随外力而变化，并且振荡器根据电容生成第一振荡信号。例如，每个电容器位于衬底和质量体之间，其中质量体面对衬底可移动地放置，并且在垂直于衬底的方向上振动。检测单元通过检测第一振荡信号频率之间的差，来检测电容器的电容之间的相对差。根据检测单元检测到的频率变化，计算在衬底水平方向上施加的角速度或加速度。因此，形成了检测由外力引起的两个电容器的电容之间的微小变化的电容差检测电路和微机电系统传感器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及检测两个电容器的电容变化的电容差检测电路和根据两个电容器的电容变化检测所施加的角速度或加速度的MEMS传感器。
技术介绍
近年来，由MEMS(微机电系统)形成的MEMS传感器(角速度传感器和加速度传感器)已经投入了实际应用。这种类型的MEMS传感器具有衬底、相对于衬底可移位地放置并且在衬底的垂直方向上振动的质量体、以及在衬底和质量体之间形成的两个电容器。它们通过检测这两个电容器的电容变化(电容之间的差)，来检测由施加在与振动方向垂直的方向上的科里奥利力(coriolis force)所导致的质量体相对于衬底的位移(对应于所施加的角速度或加速度)。例如，这种类型的MEMS传感器通过检测随电容而变化的延时的差(对电容器的充电/放电)，来检测由科里奥利力导致的电容变化。具体地说，分别向这两个电容器所连接的两个节点提供脉冲信号。脉冲信号的延时差依赖于电容差而不同。接着，生成一个脉冲信号，该脉冲信号的脉冲宽度对应于其延时之间的差，并且使该脉冲信号的电压变平滑。然后，MEMS传感器检测通过平滑过程产生的DC电压中的变化，得到角速度或加速度。另外，例如，日本未审查专利申请公开No.平8-278336公开了这样一种技术利用电容器形成谐振电路，并且检测从该谐振电路输出的振荡信号与从参考振荡器输出的参考振荡信号之间的相位差，得到电容变化。因为MEMS传感器是使用半导体制造技术形成的，所以它的每个元件都可以做得很小。但是，作为MEMS传感器组成部分的电容器的电容也很小，所以由科里奥利力导致的电容变化的量很小。这使得降低了检测灵敏度。对于非常小量的电容变化，只能在延时中引起小的变化，这使得DC电压几乎不变。这可能导致不能检测小的角速度和加速度。具体地说，MEMS传感器中所使用的电容器的电容小到只有几个pF，由科里奥利力导致的一个电容器的电容变化只有几十个fF。因此，随角速度和加速度变化的两个电容器的电容之间的差是几个aF至几十个aF。换言之，需要能检测几个aF的电容差的高灵敏度MEMS传感器。此外，在前述日本未审查专利申请公开No.平8-278336中公开的技术中，只有一个谐振电路，其电容由于外力而变化。因此，不可能形成检测由外力而变化的两个电容器的电容之间的差的电容差检测电路。也不可能形成在衬底和质量体之间具有两个电容器以根据每一个都随科里奥利力而改变的电容来检测角速度或加速度的MEMS传感器。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供检测由外力引起的两个电容器的电容微小变化的电容差检测电路和MEMS传感器。根据本专利技术的电容差检测电路的一个方面，多个振荡器的每一个具有电容随外力变化的电容器。每个振荡器根据电容生成第一振荡信号。检测器通过检测第一振荡信号频率之间的差，检测电容器的电容之间的相对差。这使得可以高精度检测微小电容差。根据本专利技术的MEMS传感器的一个方面，在衬底上形成一对第一电极，在质量体上面对第一电极的位置形成一对第二电极。质量体面对衬底可移位地放置，在垂直于衬底的方向振动，并且由于在垂直于振动方向施加的科里奥利力而移位。另外，一对电容器中每个电容器由彼此面对的第一电极和第二电极形成。一对振荡器分别根据电容器的电容生成第一振荡信号。检测单元通过检测第一振荡信号频率之间的差，检测电容器的电容之间的相对差。主控制单元根据由检测单元检测到的频率变化，计算在衬底的水平方向施加的角速度或加速度。这使得可以对由角速度或加速度引起的电容差进行高精度检测。根据本专利技术的电容差检测电路和MEMS传感器的上述方面的优选示例，至少一个振荡器包括电容由提供给控制端子的控制电压调节的可变电容二极管。因此，具有可变电容二极管的振荡器可以通过调节其电容，改变第一振荡信号的频率。因此，即使由于制造误差等原因，多个振荡器具有不同的振荡频率，也能容易地使它们彼此一致。换言之，即使在不严格的条件下制造电容差检测电路和MEMS传感器，也可以容易地使振荡器的振荡频率彼此一致。这从而降低了制造成本。根据本专利技术的电容差检测电路和MEMS传感器的上述方面的优选示例，一对振荡器的每一个都输出第一振荡信号。检测单元中所包含的混频器接收一对第一振荡信号，并输出频率等于接收到的第一振荡信号的频率之间的差的频率差信号。这使得可以通过监视频率差信号的频率来高精度地检测电容差。根据本专利技术的电容差检测电路和MEMS传感器的上述方面的优选示例，频率/电压转换单元将频率差信号的频率转换为指示电容之间的差的检测电压，这使得诸如AD转换器之类的简单电路可以监视电容之间的相对差。根据本专利技术的电容差检测电路和MEMS传感器的上述方面的优选示例，在接收到当一对第一振荡信号频率之间的差小时被激活的屏蔽信号时，频率/电压转换单元输出指示电容之间的差为零的检测电压。这使得不必对频率处于不必进行检测的范围内(频率等于或低于预定频率)的频率差信号进行判断操作，这可以使功耗降低了判断操作所需的功耗量。根据本专利技术的电容差检测电路和MEMS传感器的上述方面的优选示例，在未施加外力的初始状态中，组成振荡器的电容器具有彼此不同的电容。因此，在初始状态中第一振荡信号的频率彼此不同。在初始状态中，混频器输出代表作为第一振荡信号频率之间的差的初始频率的频率差信号。使振荡信号的频率彼此区别，换言之，在初始状态中预先设置预定的偏移，这使得在初始状态中不必将混频器输出的频率差信号的频率精确设置为零。结果，可以用简单电路来配置混频器，降低了设计成本和制造成本。根据本专利技术的电容差检测电路和MEMS传感器的上述方面的优选示例，频率比较器比较第一振荡信号的频率大小，使得不仅可以判断电容之间差，还可以判断电容之间的大小关系。根据本专利技术的电容差检测电路和MEMS传感器的上述方面的优选示例，在接收到当频率之间的差小时被激活的屏蔽信号时，混频器输出指示一对第一振荡信号的频率之间的差为零的频率差信号。这使得不必对频率处于不必进行检测的范围内(频率等于或低于预定频率)的频率差信号进行判断操作，这可以使功耗降低了判断操作所需的功耗量。根据本专利技术的电容差检测电路和MEMS传感器的上述方面的优选示例，在振荡器和混频器之间分别放置一对PLL(锁相环)电路。每个PLL电路从振荡器接收第一振荡信号，生成频率高于第一振荡信号频率的第二振荡信号，并且将生成的第二振荡信号输出到混频器作为第一振荡信号。这可以提高混频器输出的频率差信号的频率，这样提高了检测电容差的灵敏度。根据本专利技术的电容差检测电路和MEMS传感器的上述方面的优选示例，每一个PLL电路具有输入端子和内置分频器。在未施加外力的初始状态中，向输入端子提供设置值以改变分频器的分频比，以便改变从PLL电路输出的第二振荡信号的频率，使得混频器可以接收到具有相同频率的第二振荡信号。根据本专利技术的电容差检测电路和MEMS传感器的上述方面的优选示例，每一个PLL电路包括具有小数分频功能(fractional dividing function)的分频器，由此可以对分频比进行微小调节。因此，在未施加外力的初始状态中，可以确保使提供给混频器的振荡信号的频率彼此一致。根据本专利技术的电容差检测电路和MEMS传感器的上述方面的优选示例，振荡器中的一个经由PLL电路连接到混频器。因此，混频器在其一个输入处被提本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容差检测电路，包括：多个振荡器，所述多个振荡器具有电容随外力变化的电容器，并且分别根据电容生成第一振荡信号；和检测单元，通过检测第一振荡信号的频率之间的差，来检测电容之间的相对差。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：北野麻世，鹫见秀司，森边刚，
申请(专利权)人：富士通株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]