[发明专利]一种惯性传感器电容检测加速度计

说明书

本发明提供一种惯性传感器电容检测加速度计，包括前置放大器的输入端连接惯性检测元件的信号输出，瞬时浮点模数转换器的输入端连接前置放大器的输出信号，瞬时浮点模数转换器的输出数字信号交由数字环路滤波器，然后由一位量化器输出数位流，经过静电力反馈单元实现闭环操作。采用过采样技术实现负反馈，提高了闭环系统的线性度、动态精度。数字环路滤波器的应用实现了量化噪声的整形，达到低噪声、数字量输出的目的。采用数字方式实现环路滤波器，能够避免模拟环路滤波器产生的积分饱和现象，同时降低版图设计难度以及模拟环路滤波器的噪声对系统影响。该加速度计采用瞬时浮点模数转换器进行量化，能够有效提高系统的噪声性能。

技术领域

本发明属于惯性传感器检测技术领域，具体涉及一种惯性传感器电容检测加速度计。

背景技术

惯性传感器一般包括加速度计和陀螺仪等敏感器件，这些惯性器件受到外界力的作用时，会产生与之对应的运动，需要测量传感器相对于参考物体的速度以及加速度等信息。以MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)加速度计为例进行说明。相对于传统加速度检波器，MEMS加速度计具有体积小、成本低、灵敏度高、容易集成等优势，同时闭环操作时具有动态范围大、线性度好与带宽高等优点，这使得其应用范围越来越广泛，如在汽车、智能手机、钻井勘探等领域。在MEMS加速度计信号检测的方法中，电容检测是一种主要的检测手段，具有低噪声、低温度系数和高灵敏度等特点。

MEMS加速度计可以等效为一对差分电容，外界加速度使得MEMS加速度计质量块产生位移，而位移的变化等效为电容变化。电容检测需要专用的读出电路处理电容信号，现有技术主要是采用开关电容接口电路来检测MEMS电容变化信号。开关电容接口检测电路主要包括前置放大器、环路滤波器以及静电力反馈等模块，通过静电力反馈实现闭环控制，可以达到良好的线性以及动态范围。加速度计电容检测技术主要采用sigma-delta架构，即传感器的电容信号经过前置放大器转换成电压信号，然后经过模拟环路滤波器调整并经过一位量化器输出比特流，最后通过静电力反馈实现闭环控制。受接口电路电子噪声影响，特别是前置放大器以及环路滤波器噪声水平限制，上述sigma-delta接口电路架构目前的噪声水平在1ug/rt(Hz)左右，很难满足高灵敏度需求。在上述sigma-delta架构中，环路滤波器目前主要采用模拟方式实现，对ASIC(Application Specific Integrated Circuit)版图设计要求比较高，如参数匹配要求等。此外，在ASIC设计与实现过程中，由于器件工艺误差等因素，前置放大器和环路滤波器等模块会产生失调电压，而失调电压会导致积分器产生积分饱和。实际中想要测试得到系统模块的具体参数比较困难，特别是测试环路滤波器参数，目前没有十分准确的测试手段。

此外，解决上述问题可以采用单纯的模数转换器(ADC)将前置放大器输出信号进行量化并采用数字方式进行滤波，此时需要考虑ADC产生量化噪声对系统闭环噪声的影响。为了降低ADC量化噪声对系统噪声性能的影响，有效的方法是使用高精度ADC。在闭环操作时，由于静电力作用，MEMS质量块基本在平衡位置上下移动，使得MEMS敏感器件输出信号符合正态分布，进而前置放大器输出的电压信号也符合正态分布。采用高精度ADC尽管降低了量化噪声，但是闭环时实际使用的有效位数十分有限，这样就势必产生资源浪费，增加了设计成本与设计复杂度，不利于产业化使用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种惯性传感器电容检加速度计，实现了高精度与数字输出。采用瞬时浮点模数转换器符合正态分布应用的同时有效降低单纯ADC量化噪声对系统噪声影响。

本发明提供的技术解决方案是：一种惯性传感器电容检测加速度计，所述加速度计包括：

MEMS电容数字检测单元，所述MEMS电容数字检测单元用于感受加速度信号，将所述加速度信号转换转化为数字算法单元可识别的数字输入信号。