線性電容式位移傳感器的制造方法
【專利說明】線性電容式位移傳感器 發(fā)明領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明總體上涉及由傳感器進(jìn)行的位移測量以及更具體地涉及電容式位移感測。
[0002] 背景
[0003] 在各種各樣的環(huán)境中使用位移傳感器。例如，它們在汽車應(yīng)用、運動感測應(yīng)用、航 空應(yīng)用等等中被使用。令人期望的是針對許多這些應(yīng)用來提供準(zhǔn)確且低成本的位移傳感 器。本發(fā)明解決了這種需要。
[0004] 概述
[0005] 在此披露了一種用于測量結(jié)構(gòu)的位移的方法和系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)包括提供第一 電容以及提供第二電容。第一和第二電容共享公共端子。該方法和系統(tǒng)進(jìn)一步包括當(dāng)結(jié)構(gòu) 被移位時，確定第一和第二電容的值的倒數(shù)的差。第一電容與結(jié)構(gòu)的位移以倒數(shù)關(guān)系變化。
[0006] 附圖簡要說明
[0007] 圖Ia示出了共享一個膜片的電容式傳感器的簡圖。
[0008] 圖Ib示出了共享一個固定電極的電容式傳感器的簡圖。
[0009] 圖2a示出了在第一階段測量Cs的配置，其中，使用運算放大器來調(diào)節(jié)在感測電極 處的電壓以及由階躍驅(qū)動電壓Vd來驅(qū)動C 3和C g的公共端子。
[0010] 圖2b示出了在第二階段測量Cg的配置，其中，使用運算放大器來調(diào)節(jié)在間隙電極 處的電壓以及由階躍驅(qū)動電壓-Vd來驅(qū)動C 3和C g的公共端子。
[0011] 圖2c示出了在第三階段相對于Cg使輸出線性化的配置，其中，分別對第一兩個階 段的輸出進(jìn)行采樣的QJP Cu都連接至運算放大器的負(fù)輸入端。
[0012] 圖2d示出了在第四階段相對于Cs使輸出線性化的配置，其中，在C &處采樣的第 三階段輸出連接至運算放大器的輸入端。
[0013] 圖2e示出了在第一階段通過在公共端子處進(jìn)行感測來對(；和(^的差進(jìn)行測量的 替代性配置，其中，使用運算放大器來調(diào)節(jié)公共端子電壓。
[0014] 圖3a示出了在第一階段用公共模式電荷消除電容器(；測量Cs的配置，其中，感測 電容器(；和固定電容參考電容器Cr都連接至運算放大器的負(fù)輸入端。
[0015] 圖3b示出了在第二階段用公共模式電荷消除電容器(；測量Cg的配置，其中，感測 電容器Cg和固定參考電容器Cr都連接至運算放大器的負(fù)輸入端。
[0016] 圖4a示出了在第一階段對CJPCg的差進(jìn)行測量的配置，其中，使用差分運算放大 器來調(diào)節(jié)在感測電極和間隙電極處的電壓。
[0017] 圖4b示出了在第二階段相對于Cg使輸出線性化的配置，其中，對第一階段輸出進(jìn) 行采樣的Qsp和C ^都連接至差分運算放大器的負(fù)輸入端。
[0018] 圖4c示出了在第三階段相對于Cs使輸出線性化的配置，其中，對第二階段輸出進(jìn) 行采樣的Cup和C Un都連接至差分運算放大器的這些輸入端。
[0019] 圖5a示出了在第一階段對CJPCg的差進(jìn)行測量的配置，其中，使用第二級放大器 來;S減公共模式干擾。
[0020] 圖5b示出了在第二階段相對于Cg使輸出線性化的配置，其中，對第一階段輸出進(jìn) 行采樣的Qsn連接至差分運算放大器的負(fù)輸入端。
[0021] 圖5c示出了在第三階段相對于Cs使輸出線性化的配置，其中，對第二階段輸出進(jìn) 行采樣的Cun連接至差分運算放大器的這些輸入端。
[0022] 圖6示出了根據(jù)一個實施例的電容式位移傳感器的線性化的方法流程圖。
[0023] 詳細(xì)描述
[0024] 本發(fā)明總體上涉及由傳感器進(jìn)行的位移測量以及更具體地涉及電容式位移感測。 呈現(xiàn)以下描述以使得本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，并且以下描述是在專 利申請及其要求的背景下提供的。對優(yōu)選實施例的多項修改和在此描述的通用原理及特征 對本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是很明顯的。因此，本發(fā)明不旨在受限于所示出的實施例，而是旨在 符合與在此描述的原理和特征相一致的最廣泛的范圍。
[0025] 如在圖Ia中所示的，電容式傳感器100的物理結(jié)構(gòu)包括一個（或多個）膜片101 以及固定電極102和103的集合。施加到該膜片的一側(cè)（或兩側(cè)）的力F將導(dǎo)致其偏轉(zhuǎn)直 到彈性力平衡掉該力。一個感測電極102位于該膜片的下面并且其中，膜片101在104處變 形以及一個間隙電極103位于將膜片101牢牢地夾緊的106處。膜片101與固定電極102 和103的重疊形成兩個電容：感測電容CsIlO和間隙電容CgIll。
[0026] 在如圖Ib中所示的第二實施例中，電容式傳感器100'的物理結(jié)構(gòu)還包括一個（或 多個）移動電極122以及固定電極120和124的集合。施加到移動電極122的力F將改變 相對于固定電極124的位移。移動電極122和固定電極124形成感測電容Cs126。固定電 極120和固定電極124形成間隙電容Cg128。
[0027] 力F可以與各種機(jī)械或物理性質(zhì)相關(guān)。壓力和加速度是已知的電容式傳感器應(yīng)用 的兩個示例。
[0028] 在圖Ia和圖Ib中所示的傳感器100和100'的位移可以由以下等式描述：
[0029] X = g〇-f(F) (1)
[0030] 其中，g。是初始位移、F是所施加的力并且電極的分離是所施加的力的線性函數(shù)或 仿射函數(shù)f (F)以及X是力F出現(xiàn)時的有效位移。
[0031] 假設(shè)可以使用平行極板模式并且忽略邊緣場，感測電容Cs和間隙電容CgS以下等 式給出：
[0034] 其中，ε。是真空介電常數(shù)、ε ^是電極之間或電極與膜片之間的材料的相對介電 常數(shù)、A是電極之間的重疊區(qū)域或電極與膜片之間的重疊區(qū)域以及X是位移。從以上等式 看到，電容相對于位移X以非線性的方式變化。
[0035] 通過電容的倒數(shù)可以實現(xiàn)第一級線性化vs.力：
[0037] 針對電容感測的通常問題為初始間隙g。易受溫度和應(yīng)力的影響。為了消除g。變 化，間隙電容的倒數(shù)與感測電容的倒數(shù)之間的差由以下等式（5)給出： CN 105121997 A W 切卞 3/7 頁
[0039] 由于CJPCg共享同一端子，可以通過多個階段來完成測量。如在圖2a至圖2d中 所示的，帶有多階段操作的單端讀出電路可以生成與等式（5)成比例的輸出。
[0040] 圖2a示出了在第一階段測量Cs202的配置，其中，使用運算放大器220來調(diào)節(jié)在 感測電極處的電壓。（；202和(；201的公共端子由正階躍電壓VD231所驅(qū)動。由于在這個 階段期間Cg201被從運算放大器220的輸入端斷開，僅有穿過Cs202的凈電荷傳送至反饋電 容(；203。在第一階段操作結(jié)束時由負(fù)載電容Q204采樣的輸出電壓VQUT230由以下等式給 出：
[0042] 圖2b示出了在第二階段測量Cg201的配置，其中，Cs202和Cg201的公共端子由負(fù) 階躍電壓_VD232所驅(qū)動。由于Cs202被從運算放大器220的輸入端斷開，僅有穿過C g201的 凈電荷傳送至反饋電容Cf203。在第一階段操作結(jié)束時由負(fù)載電容Cu205采樣的輸出電壓 Vl3uJSO由以下等式給出：
[0044] 圖2c示出了在第三階段相對于Cg201使輸出線性化的配置，其中，分別對第一兩 個階段的輸出進(jìn)行采樣的Qs204和Cu205都連接至運算放大器220的負(fù)輸入端。存儲在 Q204和Cu205的電荷傳送至反饋電容Cg201。在第三階段操作結(jié)束時由負(fù)載電容Q206 采樣的輸出電壓V13JSO由以下等式給出：
[0046] 圖2d示出了在第四階段相對于Cs202使輸出線性化的配置，其中，在(：?χ206處采 樣的第三階段輸出連接至運算放大器220的輸入端。存儲在(：?χ206處的電荷傳送至反饋電 容(；202。在第四階段操作結(jié)束時由負(fù)載電容Q207采樣的輸出電壓VQUT230由以下等式給 出：
[0048] 通過設(shè)置Qs204等于Cu205，等式（9)可以被簡化為：
[0050] 由等式（10)，讀出電路的輸出可以相對于位移傳遞該線性函數(shù)并且通過基于靈敏 度Cs設(shè)置V D，Cbi, Cu和C f來調(diào)節(jié)讀出電路的換能器增益。
[0051] 圖2e示出了在第一階段通過在公共端子212處進(jìn)行感測來對Cs202和C g201的差 進(jìn)行測量的替代性配置，其中，使用運算放大器220來調(diào)節(jié)在公共端子212處的電壓。Cs202 的電極211和Cg201的電極210分別由帶有VD231和-VD232的幅值的階躍驅(qū)動電壓所驅(qū)動。 穿過(；202和(；201的凈電荷傳送至反饋電容Cf203。在第一階段操作結(jié)束時由負(fù)載電容 Q204采樣的輸出電壓￥_230由以下等式給出：
[0053] 根據(jù)等式（11)，在圖2a至圖2d中所描述的四個階段測量可以被簡化成三個階段： 針對第一階段的配置的圖2e、分別針對接下來的兩個階段的配置的圖2c和圖2d。但是存 在對從公共端子進(jìn)行感測的限制：在公共端子212于其中是暴露于外部環(huán)境的應(yīng)用中，其 易受電磁干擾（EMI)、灰塵和濕度等等的影響。由于額外的屏蔽和泄漏，讀出準(zhǔn)確性和噪聲 性能將會被降級。
[0054] 為了在第一兩個階段期間降低在輸入端的潛在電荷干擾的任何機(jī)會（可能導(dǎo)致 運算放大器220轉(zhuǎn)向并限制運算的速度），可以在第一兩個階段處增加能傳遞相反電荷的 固定電容。以下關(guān)于圖3a和圖3b詳細(xì)地描述了此特征。
[0055] 圖3a示出了在第一階段用公共模式電荷消除電容器(；303測量Cs302的配置，其 中，感測電容器Cs302和固定電容參考電容器(；303都連接至運算放大器320的負(fù)輸入端。 Cs302和Cg301的公共端子由正階躍電壓VD331所驅(qū)動，而(；303由負(fù)階躍電壓-V D332所驅(qū) 動。因為Cs302和(；303由相反的電勢所驅(qū)動，僅有穿過Cs302和(；303的凈電荷傳送至反 饋電容Cf304。在第一階段操作結(jié)束時由負(fù)載電容Q305采樣的輸出電壓VQUT330由以下等 式給出：
[0057] 圖3b示出了在第二階段測量(；301的配置，其中，感測電容器Cg301和(；303都連 接至運算放大器320的負(fù)輸入端。Cs302和Cg301的公共端子由負(fù)階躍電壓-VD331所驅(qū)動， 而(；303由帶有幅值VD332的正階躍電壓所驅(qū)動。因為Cg301和(；303由相反的電勢所驅(qū) 動，僅有穿過Cg301和(；303的凈電荷傳送至反饋電容Cf304。在第一階段操作結(jié)束時由負(fù) 載電容Cu306采樣的輸出電壓VQUT330由以下等式給出：
[0059] 相比于等式（6)，在等式（12)中存在一個額外的項以及相比于等式（7)，在等 式（13)中存在一個