自平衡式变面积阵列电容位移检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置及方法；装置包括：位移检测单元、弱信号调理电路、解调电路、低通电路、控制电路、反馈执行机、反馈电流矢量控制电路、载波及解调波发生电路和反馈检测电路；反馈检测电路的输入端连接至低通电路的输出端，反馈电流矢量控制电路的第一输入端连接至控制电路的输出端，反馈电流矢量控制电路的第二输入端连接至反馈检测电路的输出端，反馈执行机的输入端连接至反馈电流矢量控制电路的输出端，反馈执行机的输出端连接至位移检测单元的第一输入端；位移检测单元的第二输入端连接至载波及解调波发生电路的输出端；本发明专利技术能够有效解决变面积阵列电容传感器动极板平衡位置的自诊断和自校正问题。

【技术实现步骤摘要】
自平衡式变面积阵列电容位移检测装置及方法
本专利技术属于MEMS传感
，更具体地，涉及一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置及方法。
技术介绍
MEMS(MicroElectroMechanicalSystems)传感器就是使用微电子技术加工制造的传感器，具有体积小、重量轻、能耗低等优点。MEMS阵列电容传感结构是典型的“三明治式”结构。通过上盖、下盖、弹簧振子膜片的封装，在弹簧振子质量块与上盖板之间形成阵列电容结构，振子质量块在敏感轴方向上的移动，形成变面积式电容设计。外界检测目标的变化转化为质量块与外框参考系的相对位置变化，完成从检测到位移Δx的传感。Δx到电容ΔC通过电容结构部分的设计来完成，最后通过电容检测电路实现目标传感。阵列电容极板是在检验质量敏感轴方向上布上很多的电容极板，电容极板通过溅射沉积或者机械加工而成。固定极板阵列和检验质量上的运动极板阵列均具有相同的周期，并沿检验质量运动的敏感方向排列。检验质量在检测目标的作用下沿着敏感方向运动，引起电容阵列之间的相对移动并改变阵列的正对面积，从而引起电容的变化。采用n组变面积差分式电容组合，相对于单组差分电容输出放大n倍。MEMS阵列电容传感器在阵列输出通过阵列传感电路后，需要对阵列极板进行闭环的反馈控制，从而使得MEMS传感器具有更好的工作性能，而在工作时，阵列极板的初始姿态不同，阵列电容极板就会处在不同阵列区间。每个阵列区间都有与其对应的平衡点。闭环反馈控制的目的就是控制阵列电容极板处于平衡点位置。而相邻阵列电容的极性相反，所以，电容极板的初始姿态变化导致的这种跨阵列区间行为必然导致反馈状态的改变。也就是说，一个初始姿态阵列区间的平衡点与反馈执行机形成的是负反馈，那么其相邻阵列区间的平衡点与反馈执行机形成的就是正反馈；反之亦然。目前所存在的问题是，电容阵列极板的初始姿态变化导致的这种跨阵列区间行为必然导致反馈状态的改变。若不进行对变面积式MEMS阵列电容的区间进行检测和平衡控制，MEMS阵列电容传感器将不能正常工作。
技术实现思路
针对现有MEMS阵列电容传感结构的缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置及方法，能够有效解决变面积阵列电容传感器的阵列极板平衡位置的自诊断和自校正问题，同时在保留原有电路结构情况下，使电路结构尽量简单。本专利技术提供了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置，包括：位移检测单元、弱信号调理电路、解调电路、低通电路、控制电路、反馈执行机、反馈电流矢量控制电路、载波及解调波发生电路和反馈检测电路；弱信号调理电路的输入端连接至所述位移检测单元的输出端，解调电路的第一输入端连接至弱信号调理电路的输出端，解调电路的第二输入端连接至载波及解调波发生电路的输出端，低通电路的输入端连接至解调电路的输出端，控制电路的输入端连接至所述低通电路的输出端，控制电路的输出端作为所述电容位移检测装置的输出端；反馈检测电路的输入端连接至低通电路的输出端，反馈电流矢量控制电路的第一输入端连接至所述控制电路的输出端，反馈电流矢量控制电路的第二输入端连接至反馈检测电路的输出端，反馈执行机的输入端连接至反馈电流矢量控制电路的输出端，反馈执行机的输出端连接至位移检测单元的第一输入端；位移检测单元的第二输入端连接至载波及解调波发生电路的输出端；位移检测单元为弹簧振子结构，反馈检测电路用于判断在当前阵列电容极性下的电路反馈状态；载波及解调波发生电路用于生成对位移检测单元进行调制的载波调制信号和生成用于解调电路所需要的解调信号；所述解调电路用于对弱信号调理电路所输出的信号进行解调；反馈电流矢量控制电路用于控制由控制电路所生成的反馈电流的矢量；反馈执行机用于在负反馈状态下控制弹簧振子工作在当前阵列周期的平衡位置。本专利技术还提供了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置，包括：位移检测单元、弱信号调理电路、解调电路、低通电路、控制电路、反馈执行机、载波矢量控制电路、载波及解调波发生电路、和反馈检测电路；弱信号调理电路的输入端连接至所述位移检测单元的输出端，解调电路的第一输入端连接至弱信号调理电路的输出端，解调电路的第二输入端连接至载波及解调波发生电路的输出端，低通电路的输入端连接至所述解调电路的输出端，控制电路的输入端连接至所述低通电路的输出端，所述控制电路的输出端作为所述电容位移检测装置的输出端；反馈执行机的输入端连接至所述控制电路的输出端，反馈执行机的输出端连接至所述位移检测单元的第一输入端；反馈检测电路的输入端连接至所述低通电路的输出端，所述载波矢量控制电路的第一输入端连接至所述载波及解调波发生电路的输出端，载波矢量控制电路的第二输入端连接至所述反馈检测电路的输出端，所述载波矢量控制电路的输出端连接至所述位移检测单元的第二输入端；位移检测单元为弹簧振子结构，反馈执行机用于执行控制电路所输出的反馈控制电流；所述载波及解调波发生电路用于生成对位移检测单元进行调制的载波调制信号和生成用于解调电路所需要的解调信号；所述反馈检测电路用于判断在当前阵列电容极性下的电路反馈状态；所述载波矢量控制电路用于对载波及解调波发生电路生成的对位移检测单元进行调制的载波调制信号的矢量控制。本专利技术提供了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置，包括：位移检测单元、弱信号调理电路、解调电路、低通电路、控制电路、反馈执行机、载波及解调波发生电路、解调波矢量控制电路和反馈检测电路；所述弱信号调理电路的输入端连接至所述位移检测单元的输出端，所述解调电路的第一输入端连接至的输出端，所述解调电路的第二输入端连接至解调波矢量控制电路的输出端，所述低通电路的输入端连接至所述解调电路的输出端，所述控制电路的输入端连接至所述低通电路的输出端，所述控制电路的输出端作为所述电容位移检测装置的输出端；所述反馈执行机的输入端连接至所述控制电路的输出端，所述反馈执行机的输出端连接至所述位移检测单元的第一输入端；所述反馈检测电路的输入端连接至所述低通电路的输出端，所述解调波矢量控制电路的第一输入端连接至所述载波及解调波发生电路的输出端，所述解调波矢量控制电路的第二输入端连接至反馈检测电路的输出端，所述载波及解调波发生电路的输出端连接至所述位移检测单元的第二输入端；所述位移检测单元为弹簧振子结构，所述解调电路用于对弱信号调理电路所输出的信号进行解调；所述载波及解调波发生电路用于生成对位移检测单元进行调制的载波调制信号和生成用于解调电路所需要的解调信号；所述解调波矢量控制电路用于将载波及解调波发生电路所生成的解调信号进行矢量控制；所述反馈检测电路用于判断在当前阵列电容极性下的电路反馈状态；所述反馈执行机用于在负反馈状态下控制弹簧振子工作在当前阵列周期的平衡位置。更进一步地，当反馈检测电路判断在当前阵列电容极性下的电路反馈为正反馈时，则将正反馈转换为负反馈。更进一步地，弹簧振子为“三明治式”结构，通过上盖、下盖、弹簧振子膜片的封装，在弹簧振子质量块与上盖板之间形成电容结构，振子质量块在敏感轴方向上移动，形成变面积式电容结构。更进一步地，反馈执行机为电磁反馈式。本专利技术还提供了一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置的检测方法，包括下述步骤：判断在当前阵列电容极性下的电路反馈状态；当电路反馈状态为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置，其特征在于，包括：位移检测单元(1)、弱信号调理电路(2)、解调电路(3)、低通电路(4)、控制电路(5)、反馈执行机(6)、反馈电流矢量控制电路(7)、载波及解调波发生电路(9)和反馈检测电路(11)；所述弱信号调理电路(2)的输入端连接至所述位移检测单元(1)的输出端，所述解调电路(3)的第一输入端连接至弱信号调理电路(2)的输出端，所述解调电路(3)的第二输入端连接至载波及解调波发生电路(9)的输出端，所述低通电路(4)的输入端连接至所述解调电路(3)的输出端，所述控制电路(5)的输入端连接至所述低通电路(4)的输出端，所述控制电路(5)的输出端作为所述电容位移检测装置的输出端；所述反馈检测电路(11)的输入端连接至所述低通电路(4)的输出端，所述反馈电流矢量控制电路(7)的第一输入端连接至所述控制电路(5)的输出端，所述反馈电流矢量控制电路(7)的第二输入端连接至所述反馈检测电路(11)的输出端，所述反馈执行机(6)的输入端连接至所述反馈电流矢量控制电路(7)的输出端，所述反馈执行机(6)的输出端连接至所述位移检测单元(1)的第一输入端；所述位移检测单元(1)的第二输入端连接至载波及解调波发生电路(9)的输出端；所述位移检测单元(1)为弹簧振子结构，所述反馈检测电路(11)用于判断在当前阵列电容极性下的电路反馈状态；所述载波及解调波发生电路(9)用于生成对位移检测单元(1)进行调制的载波调制信号和生成用于解调电路(3)所需要的解调信号；所述解调电路(3)用于对弱信号调理电路(2)所输出的信号进行解调；所述反馈电流矢量控制电路(7)用于控制由控制电路(5)所生成的反馈电流的矢量；所述反馈执行机(6)用于在负反馈状态下控制弹簧振子工作在当前阵列周期的平衡位置。...

【技术特征摘要】
1.一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置，其特征在于，包括：位移检测单元(1)、弱信号调理电路(2)、解调电路(3)、低通电路(4)、控制电路(5)、反馈执行机(6)、反馈电流矢量控制电路(7)、载波及解调波发生电路(9)和反馈检测电路(11)；所述弱信号调理电路(2)的输入端连接至所述位移检测单元(1)的输出端，所述解调电路(3)的第一输入端连接至弱信号调理电路(2)的输出端，所述解调电路(3)的第二输入端连接至载波及解调波发生电路(9)的输出端，所述低通电路(4)的输入端连接至所述解调电路(3)的输出端，所述控制电路(5)的输入端连接至所述低通电路(4)的输出端，所述控制电路(5)的输出端作为所述电容位移检测装置的输出端；所述反馈检测电路(11)的输入端连接至所述低通电路(4)的输出端，所述反馈电流矢量控制电路(7)的第一输入端连接至所述控制电路(5)的输出端，所述反馈电流矢量控制电路(7)的第二输入端连接至所述反馈检测电路(11)的输出端，所述反馈执行机(6)的输入端连接至所述反馈电流矢量控制电路(7)的输出端，所述反馈执行机(6)的输出端连接至所述位移检测单元(1)的第一输入端；所述位移检测单元(1)的第二输入端连接至载波及解调波发生电路(9)的输出端；所述位移检测单元(1)为弹簧振子结构，所述反馈检测电路(11)用于判断在当前阵列电容极性下的电路反馈状态；所述载波及解调波发生电路(9)用于生成对位移检测单元(1)进行调制的载波调制信号和生成用于解调电路(3)所需要的解调信号；所述解调电路(3)用于对弱信号调理电路(2)所输出的信号进行解调；所述反馈电流矢量控制电路(7)用于控制由控制电路(5)所生成的反馈电流的矢量；所述反馈执行机(6)用于在负反馈状态下控制弹簧振子工作在当前阵列周期的平衡位置。2.一种自平衡式变面积阵列电容位移检测装置，其特征在于，包括：位移检测单元(1)、弱信号调理电路(2)、解调电路(3)、低通电路(4)、控制电路(5)、反馈执行机(6)、载波矢量控制电路(8)、载波及解调波发生电路(9)、和反馈检测电路(11)；所述弱信号调理电路(2)的输入端连接至所述位移检测单元(1)的输出端，所述解调电路(3)的第一输入端连接至弱信号调理电路(2)的输出端，所述解调电路(3)的第二输入端连接至载波及解调波发生电路(9)的输出端，所述低通电路(4)的输入端连接至所述解调电路(3)的输出端，所述控制电路(5)的输入端连接至所述低通电路(4)的输出端，所述控制电路(5)的输出端作为所述电容位移检测装置的输出端；所述反馈执行机(6)的输入端连接至所述控制电路(5)的输出端，所述反馈执行机(6)的输出端连接至所述位移检测单元(1)的第一输入端；所述反馈检测电路(11)的输入端连接至所述低通电路(4)的输出端，所述载波矢量控制电路(8)的第一输入端连接至所述载波及解调波发生电路(9)的输出端，所述载波矢量控制电路(8)的第二输入端连接至所述反馈检测电路(11)的输出端，所述载波矢量控制电路(8)的输出端连接至所述位移检测单元(1)的第二输入端；所述位移检测单元(1)为弹簧振子结构，所述反馈执行机(6)用于执行控制电路(5)所输出的反馈控制电流；所述载波及解调波发生电路(9)用于生成对位移检测单元(1)进...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂良成，胡宸源，皮鉴源，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42