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專利名稱：電容差檢測電路和微機電系統傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及檢測兩個電容器的電容變化的電容差檢測電路和根據兩個電容器的電容變化檢測所施加的角速度或加速度的MEMS傳感器。
背景技術：
近年來，由MEMS(微機電系統)形成的MEMS傳感器(角速度傳感器和加速度傳感器)已經投入了實際應用。這種類型的MEMS傳感器具有襯底、相對于襯底可移位地放置并且在襯底的垂直方向上振動的質量體、以及在襯底和質量體之間形成的兩個電容器。它們通過檢測這兩個電容器的電容變化(電容之間的差)，來檢測由施加在與振動方向垂直的方向上的科里奧利力(coriolis force)所導致的質量體相對于襯底的位移(對應于所施加的角速度或加速度)。
例如，這種類型的MEMS傳感器通過檢測隨電容而變化的延時的差(對電容器的充電/放電)，來檢測由科里奧利力導致的電容變化。具體地說，分別向這兩個電容器所連接的兩個節點提供脈沖信號。脈沖信號的延時差依賴于電容差而不同。接著，生成一個脈沖信號，該脈沖信號的脈沖寬度對應于其延時之間的差，并且使該脈沖信號的電壓變平滑。然后，MEMS傳感器檢測通過平滑過程產生的DC電壓中的變化，得到角速度或加速度。
另外，例如，日本未審查專利申請公開No.平8-278336公開了這樣一種技術利用電容器形成諧振電路，并且檢測從該諧振電路輸出的振蕩信號與從參考振蕩器輸出的參考振蕩信號之間的相位差，得到電容變化。
因為MEMS傳感器是使用半導體制造技術形成的，所以它的每個元件都可以做得很小。但是，作為MEMS傳感器組成部分的電容器的電容也很小，所以由科里奧利力導致的電容變化的量很小。這使得降低了檢測靈敏度。對于非常小量的電容變化，只能在延時中引起小的變化，這使得DC電壓幾乎不變。這可能導致不能檢測小的角速度和加速度。具體地說，MEMS傳感器中所使用的電容器的電容小到只有幾個pF，由科里奧利力導致的一個電容器的電容變化只有幾十個fF。因此，隨角速度和加速度變化的兩個電容器的電容之間的差是幾個aF至幾十個aF。換言之，需要能檢測幾個aF的電容差的高靈敏度MEMS傳感器。
此外，在前述日本未審查專利申請公開No.平8-278336中公開的技術中，只有一個諧振電路，其電容由于外力而變化。因此，不可能形成檢測由外力而變化的兩個電容器的電容之間的差的電容差檢測電路。也不可能形成在襯底和質量體之間具有兩個電容器以根據每一個都隨科里奧利力而改變的電容來檢測角速度或加速度的MEMS傳感器。

發明內容
本發明的一個目的是提供檢測由外力引起的兩個電容器的電容微小變化的電容差檢測電路和MEMS傳感器。
根據本發明的電容差檢測電路的一個方面，多個振蕩器的每一個具有電容隨外力變化的電容器。每個振蕩器根據電容生成第一振蕩信號。檢測器通過檢測第一振蕩信號頻率之間的差，檢測電容器的電容之間的相對差。這使得可以高精度檢測微小電容差。
根據本發明的MEMS傳感器的一個方面，在襯底上形成一對第一電極，在質量體上面對第一電極的位置形成一對第二電極。質量體面對襯底可移位地放置，在垂直于襯底的方向振動，并且由于在垂直于振動方向施加的科里奧利力而移位。另外，一對電容器中每個電容器由彼此面對的第一電極和第二電極形成。一對振蕩器分別根據電容器的電容生成第一振蕩信號。檢測單元通過檢測第一振蕩信號頻率之間的差，檢測電容器的電容之間的相對差。主控制單元根據由檢測單元檢測到的頻率變化，計算在襯底的水平方向施加的角速度或加速度。這使得可以對由角速度或加速度引起的電容差進行高精度檢測。
根據本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的上述方面的優選示例，至少一個振蕩器包括電容由提供給控制端子的控制電壓調節的可變電容二極管。因此，具有可變電容二極管的振蕩器可以通過調節其電容，改變第一振蕩信號的頻率。因此，即使由于制造誤差等原因，多個振蕩器具有不同的振蕩頻率，也能容易地使它們彼此一致。換言之，即使在不嚴格的條件下制造電容差檢測電路和MEMS傳感器，也可以容易地使振蕩器的振蕩頻率彼此一致。這從而降低了制造成本。
根據本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的上述方面的優選示例，一對振蕩器的每一個都輸出第一振蕩信號。檢測單元中所包含的混頻器接收一對第一振蕩信號，并輸出頻率等于接收到的第一振蕩信號的頻率之間的差的頻率差信號。這使得可以通過監視頻率差信號的頻率來高精度地檢測電容差。
根據本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的上述方面的優選示例，頻率/電壓轉換單元將頻率差信號的頻率轉換為指示電容之間的差的檢測電壓，這使得諸如AD轉換器之類的簡單電路可以監視電容之間的相對差。
根據本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的上述方面的優選示例，在接收到當一對第一振蕩信號頻率之間的差小時被激活的屏蔽信號時，頻率/電壓轉換單元輸出指示電容之間的差為零的檢測電壓。這使得不必對頻率處于不必進行檢測的范圍內(頻率等于或低于預定頻率)的頻率差信號進行判斷操作，這可以使功耗降低了判斷操作所需的功耗量。
根據本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的上述方面的優選示例，在未施加外力的初始狀態中，組成振蕩器的電容器具有彼此不同的電容。因此，在初始狀態中第一振蕩信號的頻率彼此不同。在初始狀態中，混頻器輸出代表作為第一振蕩信號頻率之間的差的初始頻率的頻率差信號。使振蕩信號的頻率彼此區別，換言之，在初始狀態中預先設置預定的偏移，這使得在初始狀態中不必將混頻器輸出的頻率差信號的頻率精確設置為零。結果，可以用簡單電路來配置混頻器，降低了設計成本和制造成本。
根據本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的上述方面的優選示例，頻率比較器比較第一振蕩信號的頻率大小，使得不僅可以判斷電容之間差，還可以判斷電容之間的大小關系。
根據本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的上述方面的優選示例，在接收到當頻率之間的差小時被激活的屏蔽信號時，混頻器輸出指示一對第一振蕩信號的頻率之間的差為零的頻率差信號。這使得不必對頻率處于不必進行檢測的范圍內(頻率等于或低于預定頻率)的頻率差信號進行判斷操作，這可以使功耗降低了判斷操作所需的功耗量。
根據本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的上述方面的優選示例，在振蕩器和混頻器之間分別放置一對PLL(鎖相環)電路。每個PLL電路從振蕩器接收第一振蕩信號，生成頻率高于第一振蕩信號頻率的第二振蕩信號，并且將生成的第二振蕩信號輸出到混頻器作為第一振蕩信號。這可以提高混頻器輸出的頻率差信號的頻率，這樣提高了檢測電容差的靈敏度。
根據本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的上述方面的優選示例，每一個PLL電路具有輸入端子和內置分頻器。在未施加外力的初始狀態中，向輸入端子提供設置值以改變分頻器的分頻比，以便改變從PLL電路輸出的第二振蕩信號的頻率，使得混頻器可以接收到具有相同頻率的第二振蕩信號。
根據本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的上述方面的優選示例，每一個PLL電路包括具有小數分頻功能(fractional dividing function)的分頻器，由此可以對分頻比進行微小調節。因此，在未施加外力的初始狀態中，可以確保使提供給混頻器的振蕩信號的頻率彼此一致。
根據本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的上述方面的優選示例，振蕩器中的一個經由PLL電路連接到混頻器。因此，混頻器在其一個輸入處被提供了頻率高于第一振蕩信號中的一個的頻率的第二振蕩信號。在未施加外力的初始狀態中，分頻控制單元改變分頻器的分頻比，以使得第二振蕩信號的頻率與第一振蕩信號中的另一個的頻率一致。因此，即使在初始狀態中一對振蕩器的電容器的電容彼此不同，也可以自動使提供給混頻器的振蕩信號的頻率彼此一致。
根據電容差檢測電路的上述方面的優選示例，一對振蕩器的電容器中的每一個都是由在襯底上形成的第一電極和在質量體上形成的面對第一電極的第二電極構成的。質量體面對襯底可移位地放置，并且在垂直于襯底的方向振動。每個振蕩器生成振蕩信號，其頻率由電容器的電容確定。當由于外力作用，質量體相對于襯底移位時，電容改變。這可以幫助檢測隨外力變化的電容差。
根據本發明的電容差檢測電路的另一個方面，一對振蕩器中每一個都具有電容隨外力變化的電容器，并且根據電容生成第一振蕩信號。一對PLL電路分別具有壓控振蕩器，并且從振蕩器接收第一振蕩信號以從壓控振蕩器輸出第二振蕩信號。檢測單元接收要被輸入到各個PLL電路的壓控振蕩器的輸入電壓。根據第一振蕩信號和第二振蕩信號的頻率調節輸入電壓。檢測單元檢測接收到的輸入電壓之間的差，得到電容之間的相對差。換言之，檢測單元將電容之間的相對差檢測為輸入電壓之間的差，這使得可以對微小電容差進行高精度檢測。


當結合附圖閱讀下面的詳細描述時，本發明的本質、原理和效用將變得更加清楚，附圖中相似的部件用相同的參考標號表示，附圖中圖1是示出了作為本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的第一實施例的基本部分的MEMS單元的橫截面圖；圖2是示出了圖1所示的振動板如何振動的橫截面圖；圖3是示出了當MEMS在工作時在與振動方向垂直的方向上施加外力時的狀態的橫截面圖；圖4是示出了第一實施例中的MEMS傳感器中所包括的電容差檢測電路的框圖；圖5是示出了圖4所示的振蕩器的詳細配置的電路圖；圖6是示出了本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的第二實施例的基本部分的框圖；圖7是詳細示出了圖6所示的振蕩器32A的電路圖；
圖8是示出了本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的第三實施例的基本部分的框圖；圖9是詳細示出了圖8所示的屏蔽控制單元的電路圖；圖10是示出了本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的第四實施例的基本部分的框圖；圖11是示出了本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的第五實施例的基本部分的框圖；圖12是詳細示出了圖11所示的PLL電路的框圖；圖13是示出了本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的第六實施例的基本部分的框圖；圖14是示出了本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的第七實施例的基本部分的框圖；具體實施方式
下文將使用附圖來描述本發明的實施例。經由外部端子提供的信號由與端子名稱相同的參考標號和符號表示。另外，通過其傳輸信號的信號線由與信號名稱相同的參考標號和符號表示。
圖1示出了作為本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器第一實施例的基本部分的MEMS單元100。通過使用半導體制造技術(例如，CMOS工藝)，在諸如硅襯底之類的半導體襯底上形成電容差檢測電路和MEMS傳感器。在該實施例中，MEMS傳感器是所謂的單軸傳感器，并且其具有MEMS單元100和圖4所示的電容差檢測電路200。該MEMS傳感器例如用作用于啟動安裝在汽車中的氣囊的傳感器。
MEMS單元100和電容差檢測電路200優選地形成在同一半導體襯底上(單芯片結構)。這是因為如稍后將要描述的那樣，組成電容差檢測電路200的振蕩器30、32的電容器C1、C2形成在MEMS單元100中。MEMS單元100和電容差檢測電路200也可以形成在不同的半導體襯底上(雙芯片結構)。
MEMS傳感器的MEMS單元100具有以預定間隔形成的一對玻璃襯底10、12，垂直于玻璃襯底10、12布置在玻璃襯底10、12相面對的側的兩端(圖中左右兩端)的硅壁14、16，以及在玻璃襯底10、12和硅壁14、16內部形成的空間18。在空間18內形成面對玻璃襯底10的振動板20。振動板20由硅壁14、16在其兩端(圖中左右兩端)支撐(梁結構)，并且其中間部分可以在垂直于玻璃襯底10、12的方向上移動(可振動)。在玻璃襯底12之上的振動板20的表面上形成重塊22。振動板20和重塊22形成在垂直于襯底10的方向上(圖中的上下方向上)振動的質量體。
在振動板20之上的玻璃襯底10的表面上形成一對第一電極10a、10b和驅動電極10c。驅動電極10c形成在第一電極10a、10b之間。在玻璃襯底10之上的振動板20的表面上，分別在面對第一電極10a、10b和驅動電極10c的位置處，形成第二電極20a、20b和驅動電極20c。第一和第二電極10a、20a形成電容器C1。第一和第二電極10b、20b形成電容器C2。電容器C1、C2的電容隨著第一電極和第二電極之間的距離而變化。
在玻璃襯底12側之上的重塊22的表面上形成一對電極22a、22b和驅動電極22c。驅動電極22c形成在電極22a、22b之間。在振動板20側之上的玻璃襯底12的表面上，分別在面對電極22a、22b和驅動電極22c的位置處，形成一對電極12a、12b和驅動電極12c。
圖2示出了圖1所示的振動板20如何振動。當未示出的驅動電路以預定周期(例如，幾十kHz)在驅動電極10c、20c電壓的正負(相對值)之間以及驅動電極22c和12c電壓的正負(相對值)之間切換時，振動板20在垂直于玻璃襯底10的方向上(圖中的箭頭以及實線和虛線所示的振動板20)振動。振動改變了第一電極10a、10b與第二電極20a、20b之間的距離，從而周期性地改變電容器C1、C2的電容。在MEMS傳感器工作時，恒定地向驅動電極10c、20c、22c、12c提供由驅動電路生成的驅動電壓。
圖3示出了當MEMS傳感器工作時(當振動板20正在振動時)，在與振動方向垂直的方向(玻璃襯底10的水平方向)上施加外力F(角速度或加速度)時的狀態。振動板20在圖中的上下方向上振動，使得外力起科里奧利力的作用。當科里奧利力使振動板20變形時，電容器C1、C2的電容改變。然后，稍后描述的圖4所示的電容差檢測電路200檢測電容變化(電容差)，得到施加于MEMS傳感器的角速度或加速度。
圖4示出了第一實施例中的MEMS傳感器中所包括的電容差檢測電路200。電容差檢測電路200具有生成振蕩信號FA(第一振蕩信號)的振蕩器30、生成振蕩信號FB(第一振蕩信號)的振蕩器32、混頻器34、頻率/電壓轉換單元36、頻率比較器38和主控制單元39。頻率/電壓轉換單元36、頻率比較器38和主控制單元39充當檢測單元，如稍后將描述的，其通過檢測振蕩信號FA、FB的頻率之間的差，得到電容器C1、C2的電容之間的相對差。
振蕩器30、32分別包括圖1所示的電容器C1、C2。因此，振蕩器30、32生成的振蕩信號FA、FB的頻率隨電容器C1、C2的電容變化而變化。混頻器34檢測振蕩信號FA、FB的頻率之間的差，并且輸出頻率等于該差值的頻率差信號FOUT。具有平滑單元的頻率/電壓轉換單元36使頻率差信號FOUT的正電壓分量平滑，并且輸出平滑后的電壓作為根據頻率差的檢測電壓VOUT。檢測電壓VOUT代表電容器C1、C2的電容之間的差。在該實施例中，當頻率差為0時，檢測電壓VOUT變為0(零)V，并且隨著頻率差(絕對值)的增加而上升。
頻率比較器38將振蕩信號FA、FB的頻率相比較，以獲得它們之間的大小關系，并且將比較結果輸出為比較信號VCMP。例如，假設提供給電容差檢測電路200的電源電壓VCC是3V，當振蕩信號的頻率之間保持“FA＝FB”時，頻率比較器38輸出電壓為1.5V(VCC/2)的比較信號VCMP。當振蕩信號的頻率之間保持“FA＞FB”時，頻率比較器38輸出電壓高于1.5V的比較信號VCMP，而當振蕩信號的頻率之間保持“FA＜FB”時，頻率比較器38輸出電壓低于1.5V的比較信號VCMP。因此，振蕩信號FA的頻率比振蕩信號FB的頻率大得越多(電容器C1的電容比電容器C2的電容小得越多)，則比較信號VCMP的電壓就越高。振蕩信號FA的頻率比振蕩信號FB的頻率小得越多(電容器C1的電容比電容器C2的電容大得越多)，則比較信號VCMP的電壓就越低。
主控制單元39根據代表振蕩信號FA、FB頻率之間的差的檢測電壓VOUT和比較信號VCMP，檢測電容器C1、C2電容之間的差，并且根據檢測結果，計算施加于MEMS單元100的外力F(角速度或加速度)。具體地說，當檢測到某個方向的大于預定值的加速度時，主控制單元39啟動氣囊。例如，主控制單元39中的AD轉換器將檢測電壓VOUT和比較信號VCMP轉換為數字值。主控制單元39根據轉換得到的數字值計算角速度或加速度。注意，主控制單元39控制整個MEMS傳感器的工作。
圖5示出了圖4所示的振蕩器30、32的詳細配置。振蕩器30、32具有相同的元件配置，并且由具有相同特性的LC諧振電路組成。與線圈L11并聯連接的電容器C10對應于圖1所示的MEMS單元100中所形成的電容器C1、C2中的一個。振蕩信號FA(或FB)的頻率依賴于電容器的電容(C10、C11、C12、C13和C14的總電容)和線圈L11的電感。
一般來說，從LC振蕩器輸出的振蕩信號的頻率由表達式(1)表示，其中C是電容器的總電容，L是線圈的電感。
f＝1/(2π×sqrt(LC))……(1)因為振蕩器30、32的總電容和電感相同，所以當MEMS單元100沒有受到外力F時，振蕩信號FA、FB的頻率彼此相等。即使在振動板20振動時，如果沒有施加外力F，C1、C2的電容也以相同的程度變化，因此，振蕩信號FA、FB的頻率變為彼此相等。當如圖3所示施加外力F時，電容器C1、C2的電容變為彼此不同。因為電感L是常數，所以振蕩信號FA、FB的頻率根據外力F(科里奧利力)而變為彼此不同。
在上述MEMS傳感器中，當施加外力時，在振動的振動板20和玻璃襯底10之間形成的電容器C1、C2的電容隨著作用在振動板20上的科里奧利力而改變，使得這些電容變得具有彼此不同的值。因為電容差檢測電路200的振蕩器30、32組成了包括電容器C1、C2的諧振電路，所以振蕩信號FA、FB的頻率依賴于電容器C1、C2的電容變化而變化。因此，混頻器34通過檢測頻率的變化(頻率差)，得到相對的電容差。
作為一個具體示例，下面的描述示出了當由于對MEMS傳感器施加了外力F而使得電容器C2的電容相對于電容器C1的電容增大了2aF時，電容差檢測電路200的操作。這里，假設未施加外力F時，振蕩器30、32的總電容和線圈L11的電感分別為4pF和6nH。
當施加了外力F時，假設振蕩器30、32的總電容分別是4pF和4.000002pF，則從前述表達式(1)得到的振蕩信號FA、FB的頻率分別為1027.340950MHz和1027.340697MHz。因此，混頻器34輸出頻率為253Hz的頻率差信號FOUT。頻率/電壓轉換單元36將頻率差信號FOUT的頻率轉換為代表電容差的檢測電壓VOUT。因此，電容差檢測電路200的主控制單元39能夠將小到2aF的電容差檢測為253Hz的頻率。主控制單元39監視由頻率比較器38輸出的比較信號VCMP的電壓，來判斷電容器C1、C2中哪一個的電容較大。
以這種方式，主控制單元39通過監視檢測電壓VOUT和比較信號VCMP，檢測電容器C1、C2的電容之間的差，由此來根據檢測結果檢測施加于MEMS傳感器上的外力F(角速度或加速度)。
如上所述，在第一實施例中，在MEMS單元100中所形成的電容器C1、C2的電容之間的差被檢測為振蕩信號FA、FB的頻率之間的差，這允許對小的電容差進行高精度檢測。結果，可以根據檢測到的頻率變化高精度地計算施加在襯底10水平方向上的外力F(角速度或加速度)。
混頻器34生成其頻率代表振蕩信號FA、FB的頻率之間的差的頻率差信號FOUT，并且頻率/電壓轉換單元36將頻率差信號FOUT的電壓分量平滑化，使得電容差可以被檢測為電壓VOUT。因此，只需要主控制單元39通過使用AD轉換器等根據電壓計算角速度或加速度，這可以簡化其電路配置。
頻率比較器38將振蕩信號FA、FB的頻率相比較，以獲得它們之間的大小關系，這使得不僅可以判斷電容差，還可以判斷電容的大小關系。
圖6示出了本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的第二實施例的基本部分。用相同的參考標號和符號來表示與第一實施例中所描述的元件相同的元件，并省略對它們的詳細描述。在該實施例中，電容差檢測電路200A的振蕩器32A與第一實施例的振蕩器32不同。其他配置與第一實施例相同。這意味著MEMS傳感器具有圖1所示的MEMS單元100，并且例如被用作用于啟動安裝在汽車中的氣囊的傳感器。振蕩器32A具有控制端子VT，并且其振蕩頻率是根據施加在控制端子VT上的電壓可調的。
圖7詳細示出了圖6所示的振蕩器32A。振蕩器32A由與第一實施例的振蕩器30(圖5)相似的LC諧振電路組成。振蕩器32A的電容器C21、C22、C23、C24、線圈L21、電阻器R21、R22、R23以及晶體管Q20被形成為分別具有與振蕩器30的電容器C11、C12、C13、C14、線圈L11、電阻器R11、R12、R13以及晶體管Q10相同的特性。這意味著振蕩器30的這些元件的布圖和振蕩器32A相同。但是，振蕩器32A具有串聯連接到電容器C2的可變電容二極管(變容二極管)VC。在未施加外力F的狀態中，電容器C2的電容與電容器C1的電容不同。在未施加外力F的狀態中，電容器C2和可變電容二極管VC的總電容基本上與電容器C1的電容相同。
可變電容二極管VC具有接收用于調節電容的控制電壓VT的控制端子VT。通常理想的是，由相同元件組成的振蕩器輸出具有相同頻率的振蕩信號。但是，通過使用半導體制造技術而實際形成的元件特性是不同的。因此，振蕩信號的頻率并不變得彼此精確相等。控制電壓VT調節可變電容二極管VC的電容，并且使振蕩器32A的總電容等于振蕩器30的總電容，使得即使存在制造誤差等，也可以使振蕩信號FA、FB的頻率彼此相等。尤其在MEMS傳感器被制造之后，也可以使振蕩信號FA、FB的頻率彼此相等。
如上所述，在第二實施例中也可以獲得與上述第一實施例相同的效果。另外，因為控制電壓被施加到振蕩器32A的控制端子VT，所以在制造MEMS傳感器之后，可以使得由于制造誤差等引起的振蕩信號FA、FB的偏離頻率彼此相等。結果，可以減少由頻率偏差導致的MEMS傳感器故障，從而改進MEMS傳感器的制造產量。換言之，即使在不嚴格的條件下制造電容差檢測電路200A和MEMS傳感器，也可以使振蕩器30、32A的振蕩頻率彼此一致，這使得制造成本降低。
圖8示出了本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的第三實施例的基本部分。用相同的參考標號和符號來表示與第一和第二實施例中所描述的元件相同的元件，并且省略對它們的詳細描述。在該實施例中，形成電容差檢測電路200B來代替第二實施例中的電容差檢測電路200A。除了電容差檢測電路200B之外，MEMS傳感器與第一實施例中相同。這意味著MEMS傳感器具有圖1所示的MEMS單元100，并且例如被用作用于啟動安裝在汽車中的氣囊的傳感器。
電容差檢測電路200B與第二實施例的電容差檢測電路200A的不同在于其具有混頻器34B和主控制單元39B，代替了混頻器34和主控制單元39。電容差檢測電路200B還具有屏蔽控制單元40B。其他配置與第二實施例的電容差檢測電路200A相同。
除了第一實施例的混頻器34的功能之外，混頻器34B還具有這樣的功能根據屏蔽信號MSK被去活。具體地說，響應于屏蔽信號MSK的激活，混頻器34B被去活，以輸出頻率為0的頻率差信號FOUT。因此，當屏蔽信號MSK被激活時，無論MEMS單元100的狀態如何，頻率/電壓轉換單元36都判定振蕩信號FA、FB的頻率彼此相等，以輸出代表頻率一致的0(零)V的檢測電壓VOUT。
屏蔽控制單元40B接收比較信號VCMP和參考電壓VREF1、VREF2(VREF1＜VREF2)，并且當比較信號VCMP的電壓落在參考電壓VREF1、VREF2之間時，其激活屏蔽信號MSK。當比較信號VCMP的電壓低于參考電壓VREF1或高于參考電壓VREF2時，屏蔽控制單元40B去活屏蔽信號MSK。另外，當比較信號VCMP的電壓低于參考電壓VREF1時，屏蔽控制單元40B將符號信號SIG變為低電平，并且當比較信號VCMP的電壓高于參考電壓VREF2時，將符號信號SIG變為高電平。符號信號SIG用于判斷振蕩信號FA、FB中哪一個的頻率較高。
主控制單元39B的功能基本與第一實施例的主控制單元39相同。主控制單元39B根據檢測電壓VOUT和符號信號SIG，檢測電容器C1、C2的電容之間的差以及差值的變化，并且根據檢測結果，計算施加于MEMS單元100的外力F(角速度或加速度)。基于符號信號SIG判斷電容器C1、C2的電容之間的大小關系。然后，當檢測到某個方向的大于預定值的加速度時，主控制單元39B啟動氣囊。注意，主控制單元39B控制整個MEMS傳感器的工作。
圖9詳細示出了圖8所示的屏蔽控制單元40B。屏蔽控制單元40B具有差分放大器AMP1、AMP2和AND門以及緩沖器電路BUF。差分放大器AMP1當比較信號VCMP的電壓高于參考電壓VREF1時，輸出高電平，并且當比較信號VCMP的電壓低于參考電壓VREF1時，輸出低電平。例如，將參考電壓VREF1設置為比VCC/2低了閾值電壓V1的值(假設VCC＝3V且V1＝0.1V，則VREF1＝1.4V)。
差分放大器AMP2當比較信號VCMP的電壓低于參考電壓VREF2時，輸出高電平，并且當比較信號VCMP的電壓高于參考電壓VREF2時，輸出低電平。例如，將參考電壓VREF2設置為比VCC/2高了閾值電壓V1的值(假設VCC＝3V且V1＝0.1V，則VREF2＝1.6V)。
AND門當比較信號VCMP的電壓落在參考電壓VREF1和參考電壓VREF2之間時，將屏蔽信號MSK激活為高電平，并且當比較信號VCMP的電壓低于參考電壓VREF1或高于參考電壓VREF2時，將屏蔽信號MSK去活為低電平。緩沖器電路BUF將差分放大器AMP1的輸出電壓轉換為符號信號SIG(代表高電平或低電平的二進制邏輯信號)。
在該實施例的MEMS傳感器中，當比較信號VCMP的電壓是1.4V至1.6V時，混頻器34B輸出頻率為0的頻率差信號FOUT，并且頻率/電壓轉換單元36輸出0(零)V的檢測電壓VOUT，表示電容器C1、C2的電容彼此相等。因此，當比較信號VCMP的電壓是1.4V至1.6V時，即使由于向MEMS單元100施加了外力F而使得電容彼此不同，主控制單元39B也不檢測角速度或加速度。這樣，提供了電容變化的死區，這可以降低對角速度或加速度的檢測靈敏度。具體地說，例如與第一實施例相似，假設當電容器C1、C2的電容之間的差是2aF時輸出253Hz的頻率差信號FOUT，則當電容差小于2aF時，換言之，當振蕩信號FA、FB的頻率之間的差小于預設的253Hz時，屏蔽信號MSK被激活。因此，頻率差信號FOUT的頻率當其將低于253Hz時恒定地變為0(零)。這使得可以防止主控制單元39B響應于頻率處于不必進行檢測的范圍之內(等于或低于253Hz的頻率)的頻率差信號FOUT而操作，因此減小了功耗。
如上所述，第三實施例中也可以獲得與上述第一和第二實施例相同的效果。另外，可以防止主控制單元39B響應于頻率處于不必進行檢測的范圍之內的頻率差信號FOUT而操作。結果，可以減小MEMS傳感器工作時的功耗。
圖10示出了本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的第四實施例的基本部分。用相同的參考標號和符號來表示與第一至第三實施例中所描述的元件相同的元件，并且省略對它們的詳細描述。在該實施例中，形成電容差檢測電路200C來代替第三實施例的電容差檢測電路200B。除了電容差檢測電路200C之外，MEMS傳感器與第一和第二實施例相同。這意味著MEMS傳感器具有圖1所示的MEMS單元100，并且例如被用作用于啟動安裝在汽車中的氣囊的傳感器。
除了混頻器34和頻率/電壓轉換單元36C與混頻器34B和頻率/電壓轉換單元36不同之外，電容差檢測電路200C與第三實施例的電容差檢測電路200B相同。除了第一實施例的頻率/電壓轉換單元36的功能之外，頻率/電壓轉換單元36C還具有這樣的功能根據屏蔽信號MSK被去活。具體地說，響應于屏蔽信號MSK的激活，頻率/電壓轉換單元36C被去活。此時，無論MEMS單元100(圖1)的狀態如何，頻率/電壓轉換單元36C都輸出0(零)V的檢測電壓VOUT，表示振蕩信號FA、FB的頻率彼此相等。因此，與第三實施例相似，當振蕩信號FA、FB的頻率之間的差小于預設值時(例如，當比較信號VCMP的電壓是1.4V至1.6V時)，即使由于向MEMS單元100施加了外力F而使得電容彼此不同，主控制單元39B也不檢測角速度或加速度。
如上所述，第四實施例中可以獲得與第一至第三實施例相同的效果。
圖11示出了本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的第五實施例的基本部分。用相同的參考標號和符號來表示與第一實施例中所描述的元件相同的元件，并且省略對它們的詳細描述。MEMS傳感器具有圖1所示的MEMS單元100以及電容差檢測電路200D，并且例如被用作用于啟動安裝在汽車中的氣囊的傳感器。
電容差檢測電路200D具有生成振蕩信號FA(第一振蕩信號)的振蕩器30、生成振蕩信號FB(第一振蕩信號)的振蕩器32、分別接收振蕩信號FA、FB的PLL電路42D、43D、混頻器34、頻率/電壓轉換單元36、頻率比較器38以及主控制單元39D。PLL電路42D、43D具有相同的電路配置。除了第一實施例的主控制單元39的功能之外，主控制單元39D還具有改變PLL電路42D、43D的分頻比的功能。
PLL電路42D根據內置分頻器的分頻比，生成頻率高于振蕩信號FA的頻率的振蕩信號FA2(第二振蕩信號)。PLL電路43D根據內置分頻器的分頻比，生成頻率高于振蕩信號FB的頻率的振蕩信號FB2(第二振蕩信號)。PLL電路42D、43D具有接收改變信號RINA、RINB(設置值)的輸入端子，其中改變信號RINA、RINB從主控制單元39D輸出，以改變內置分頻器的分頻比。混頻器34檢測振蕩信號FA2、FB2的頻率之間的差，以輸出頻率等于該頻率差的頻率差信號FOUT。
PLL電路42D、43D被插入到振蕩器30、32與混頻器34之間，使得要被提供給混頻器34的振蕩信號FA2、FB2的頻率變為高于振蕩信號FA、FB的頻率。因此，代表頻率差的頻率差信號FOUT的頻率變高。這提高了對電容器C1、C2的電容變化的檢測靈敏度。具體地說，假設使振蕩信號FA2、FB2的頻率為振蕩信號FA、FB的頻率的兩倍，則當頻率差信號FOUT的頻率為253Hz時，可以檢測到1aF的電容差。
圖12詳細示出了圖11所示的PLL電路42D、43D。因為PLL電路42D、43D具有相同的電路配置，所以這里只描述PLL電路42D。PLL電路42D具有分頻器1/R、相位比較器P/D、電荷泵C/P、低通濾波器LPF、壓控振蕩器VCO以及分頻器1/N。注意，主控制單元39D具有改變分頻器1/R、1/N的分頻比的功能。
如典型的PLL電路中一樣，從PLL電路42D、43D輸出的振蕩信號FA2、FB2的頻率FVCO可以由表達式(2)表示，其中FOSC是輸入到PLL電路42D、43D的每個振蕩信號FA、FB的頻率，R是分頻器1/R的分頻比，N是分頻器1/N的分頻比。
FVCO＝FOSC×(N/R)……(2)因此，較小的分頻比R和較高的分頻比N可以增加振蕩信號FA2、FB2的頻率。另外，通過改變分頻比R、N，可以自由改變振蕩信號FA、FB的頻率。因此，在未向MEMS傳感器施加外力F時(處于電容器C1、C2的平衡狀態)，可以通過改變分頻比R、N，使得振蕩信號FA、FB的頻率彼此相等。換言之，在該實施例中，不必像在第二實施例(圖6)中那樣在振蕩器32A中插入可變電容二極管VC來通過控制端子VT調節電容。因此，通過改變PLL電路42D、43D中的至少一個的分頻比R、N，即使振蕩器30、32具有制造誤差等，也可以使振蕩信號FA、FB的頻率彼此相等。
如上所述，第五實施例中也可以獲得與上述第一和第二實施例相同的效果。換言之，通過改變PLL電路42D、43D中至少一個的分頻比R、N，在制造MEMS傳感器之后，由于制造誤差等而彼此偏離的振蕩信號FA、FB的頻率可以被使得彼此相等。結果，可以減少由頻率偏差導致的MEMS傳感器故障，以實現MEMS傳感器制造產量的提高。換言之，即使在不嚴格的條件下制造電容差檢測電路200D和MEMS傳感器，也可以使振蕩器30、32的振蕩頻率彼此相等。結果，可以降低制造成本。
另外，通過使用PLL電路42D、43D，使提供給混頻器34的振蕩信號FA2、FB2的頻率高于振蕩器30、32輸出的振蕩信號FA、FB的頻率，使得可以使代表頻率差的頻率差信號FOUT的頻率更高。結果，可以提高對電容器C1、C2的電容變化的檢測靈敏度。
圖13示出了本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的第六實施例的基本部分。用相同的參考標號和符號來表示與第一和第五實施例中所描述的元件相同的元件，并且省略對它們的詳細描述。MEMS傳感器具有圖1所示的MEMS單元100和電容差檢測電路200E，并且例如被用作用于啟動安裝在汽車中的氣囊的傳感器。
電容差檢測電路200E具有生成振蕩信號FA(第一振蕩信號)的振蕩器30、生成振蕩信號FB(第一振蕩信號)的振蕩器32E、接收振蕩信號FB以輸出振蕩信號FB2的PLL電路42E、接收振蕩信號FA、FB2的混頻器34、頻率/電壓轉換單元36、頻率比較器38、AD轉換器44E、運算電路46E、寄存器48E以及主控制單元39E。除了第一實施例的主控制單元39的功能之外，主控制單元39D還具有控制AD轉換器44E和運算電路46E的操作的功能。如稍后將描述的，AD轉換器44E、運算電路46E和寄存器48E用作分頻控制單元，其改變PLL電路42E的分頻器的分頻比，以使得振蕩信號FA、FB2的頻率在未施加外力F的初始狀態中彼此相等。
在該實施例中，通過使用MEMS單元100(圖1)中所形成的電容器C1來配置振蕩器30(LC諧振電路)。通過使用MEMS單元100中所形成的電容器C2來組成PLL電路42E中的壓控振蕩器(未示出)。理想的是，振蕩信號FA、FB的頻率相同，但是在某些情況下，由于制造誤差等，它們彼此略有偏離。
在未向MEMS單元100施加外力F時(處于電容器C1、C2的平衡狀態；例如，在MEMS傳感器的初始化序列期間)，AD轉換器44E響應于從主控制單元39E輸出的激活信號ACT1而操作，并將從頻率比較器38輸出的比較信號VCMP的電壓轉換為數字值。運算電路46E響應于從主控制單元39E輸出的激活信號ACT2而操作，并根據從AD轉換器44E輸出的數字值，計算PLL電路42E的分頻比(圖12中所述的分頻比R、N)，以使得提供給混頻器34的振蕩信號FA、FB2的頻率彼此相等。寄存器48E保持從運算電路46E輸出的代表分頻比的數字值，以將保持的數字值輸出到PLL電路42E。PLL電路42E根據接收到的數字值，改變內置分頻器(未示出)的分頻比。因此，在MEMS傳感器的初始化序列期間，振蕩信號FB2的頻率被自動使得等于振蕩信號FA的頻率。
具體地說，例如如圖4所示，在初始化序列期間，當頻率之間保持FA＞FB2的關系時，頻率比較器38輸出電壓高于1.5V的比較信號VCMP。為了使頻率FA＝FB2，運算電路46E根據數字值計算PLL電路42E的分頻比，并且經由寄存器48E將設置值輸出到PLL電路42E，以將PLL電路42E的分頻比設置為所計算出的值。PLL電路42E根據經由寄存器48E提供的設置值改變分頻比。這使得振蕩信號FA、FB2的頻率彼此相等。
在初始化序列期間使振蕩信號FA、FB2的頻率彼此相等之后，主控制單元39E使激活信號ACT1、ACT2被去活，以停止AD轉換器44E和運算電路46E的工作。在MEMS傳感器工作時，通過中止AD轉換器44E和運算電路46E的工作，減少了功耗。在停止AD轉換器44E和運算電路46E的工作后，寄存器48E繼續保持最后寫入的代表分頻比的設置值(用于使振蕩信號FA、FB2的頻率彼此相等)。因此，在MEMS傳感器開始工作之后，在未向MEMS單元100施加外力F的平衡狀態中，振蕩信號FA、FB2的頻率彼此相等。
注意，用非易失性存儲器組成寄存器48E，這使得可以在MEMS傳感器的制造過程(測試過程)中設置分頻比，以使振蕩信號FA、FB2的頻率彼此相等。因此，在制造MEMS傳感器之后，由于制造誤差等原因而彼此偏離的振蕩信號FA、FB的頻率可以被使得彼此相等。結果，與第二和第五實施例相似，可以減少由頻率偏差導致的MEMS傳感器故障，以提高MEMS傳感器的制造產量，使得可以降低制造成本。
如上所述，第六實施例中可以獲得與上述第一、第二和第五實施例相同的效果。
圖14示出了本發明的電容差檢測電路和MEMS傳感器的第七實施例的基本部分。用相同的參考標號和符號來表示與第一和第五實施例中所描述的元件相同的元件，并且省略對它們的詳細描述。MEMS傳感器具有圖1所示的MEMS單元100和電容差檢測電路200F，并且例如被用作用于啟動安裝在汽車中的氣囊的傳感器。
電容差檢測電路200F具有分別生成振蕩信號FA、FB的振蕩器30、32、接收振蕩信號FA以輸出振蕩信號FA2的PLL電路42D、接收振蕩信號FB以輸出振蕩信號FB2的PLL電路43D，以及接收PLL電路42D、43D的壓控振蕩器VCO的輸入電壓VTA、VTB以將輸入電壓VTA、VTB之間的差輸出為檢測電壓VOUT的差分放大器50。差分放大器50用作檢測單元，如稍后將描述的，其將電容器C1、C2的電容之間的差檢測為振蕩信號FA、FB的頻率之間的差。
在該實施例中，差分放大器50直接比較壓控振蕩器VCO的輸入電壓VTA、VTB，使得在MEMS工作時電容器C1、C2的電容之間的差被檢測。注意，當在未向MEMS單元100(圖1)施加外力F的狀態中(處于電容器C1、C2的平衡狀態)由于MEMS傳感器的制造誤差等原因造成電容器C1、C2的電容彼此不同時，輸入電壓VTA、VTB也彼此不同。在這種情形中，形成寄存器，其將在平衡狀態中的檢測電壓VOUT保持為校正值(數字值)，并且根據該寄存器保持的校正值，MEMS傳感器工作時輸出的檢測電壓VOUT被校正，使得可以改進電容差的檢測精度。
如上所述，第七實施例中也可以獲得與上述第一和第二實施例相同的效果。
注意，在上述第一、第二、第五和第六實施例中，在未向MEMS單元100施加外力F的平衡狀態(初始狀態)中，可以預先使提供給混頻器34的一對振蕩信號的頻率彼此不同。在這種情形中，在平衡狀態期間，混頻器34輸出具有預定頻率的頻率差信號FOUT。因此，在平衡狀態中，輸出頻率不為0的帶有偏移的頻率差信號FOUT。這使得不需要在平衡狀態中將頻率差信號FOUT的頻率精確設置為0，使得可以使用簡單電路來配置混頻器34，從而可以降低設計成本和制造成本。
可以在上述第一、第五和第六實施例的電容差檢測電路的每一個中都形成第三或第四實施例的屏蔽控制單元40B，從而防止主控制單元響應于其頻率位于不必進行檢測的范圍內的頻率差信號FOUT而工作。
在上述第五至第七實施例的每一個中，使用具有小數分頻功能的分頻器組成PLL電路，使得可以微量調節分頻比。這使得可以確保地使在未施加外力F的初始狀態中要被提供給混頻器的振蕩信號的頻率彼此相等。
上述第一至第七實施例已經描述了一些示例，其中使用一對電容器C1、C2來組成MEMS傳感器，電容器C1、C2的電容分別隨外力F而變化。本發明并不限于這樣的實施例。例如，可以使用兩對或三對電容器來組成高精度工作的雙軸或三軸MEMS傳感器。在這種情形中，沿著彼此不同的軸布置兩個MEMS單元100或三個MEMS單元100。
權利要求
1.一種電容差檢測電路，包括多個振蕩器，所述多個振蕩器具有電容隨外力變化的電容器，并且分別根據電容生成第一振蕩信號；和檢測單元，通過檢測第一振蕩信號的頻率之間的差，來檢測電容之間的相對差。
2.根據權利要求1所述的電容差檢測電路，其中至少一個所述振蕩器包括電容可變的可變電容二極管；和調節所述可變電容二極管的電容的控制端子；并且具有所述可變電容二極管的所述至少一個振蕩器根據所述電容器中的一個以及所述可變電容二極管的電容，生成第一振蕩信號。
3.根據權利要求1所述的電容差檢測電路，其中所述多個振蕩器是成對的兩個振蕩器；并且所述檢測單元包括混頻器，所述混頻器接收一對第一振蕩信號，并輸出頻率差信號，所述頻率差信號的頻率等于接收到的一對第一振蕩信號的頻率之間的差。
4.根據權利要求3所述的電容差檢測電路，其中所述檢測單元包括頻率/電壓轉換單元，所述頻率/電壓轉換單元將頻率差信號的頻率轉換為指示電容之間的相對差的檢測電壓。
5.根據權利要求4所述的電容差檢測電路，其中所述頻率/電壓轉換單元包括平滑單元，所述平滑單元使頻率差信號的正電壓分量平滑，以輸出平滑后的電壓作為檢測電壓。
6.根據權利要求4所述的電容差檢測電路，還包括屏蔽控制單元，當一對第一振蕩信號的頻率之間的差小于預設值時，所述屏蔽控制單元激活屏蔽信號，其中在接收被激活的屏蔽信號時，所述頻率/電壓轉換單元輸出指示電容之間的差為零的檢測電壓。
7.根據權利要求3所述的電容差檢測電路，其中在未施加外力的初始狀態中，組成所述振蕩器的所述電容器的電容彼此不同；并且在初始狀態中，所述混頻器輸出指示預設初始頻率的頻率差信號。
8.根據權利要求3所述的電容差檢測電路，還包括頻率比較器，比較第一振蕩信號的頻率大小。
9.根據權利要求3所述的電容差檢測電路，還包括屏蔽控制單元，當第一振蕩信號的頻率之間的差小于預設值時，所述屏蔽控制單元激活屏蔽信號，其中在接收被激活的屏蔽信號時，所述混頻器輸出指示第一振蕩信號的頻率之間的差為零的頻率差信號。
10.根據權利要求3所述的電容差檢測電路，還包括分別位于所述振蕩器和所述混頻器之間的一對鎖相環電路，所述一對鎖相環電路分別從所述振蕩器接收第一振蕩信號以生成頻率高于第一振蕩信號頻率的第二振蕩信號，并且將生成的第二振蕩信號輸出到所述混頻器作為第一振蕩信號。
11.根據權利要求10所述的電容差檢測電路，其中每個所述鎖相環電路具有接收設置值的輸入端子，所述設置值用于改變分頻器的分頻比，以便在未施加外力的初始狀態中，所述混頻器接收到頻率彼此相等的第二振蕩信號，所述分頻器內置在每個所述鎖相環電路中。
12.根據權利要求11所述的電容差檢測電路，其中所述分頻器具有小數分頻功能。
13.根據權利要求3所述的電容差檢測電路，還包括位于所述振蕩器中的一個與所述混頻器之間的具有分頻器的鎖相環電路，所述鎖相環電路從所述這個振蕩器接收第一振蕩信號中的一個，生成頻率高于所述這個第一振蕩信號的第二振蕩信號，并且將生成的第二振蕩信號輸出到所述混頻器作為所述這個第一振蕩信號；和分頻控制單元，所述分頻控制單元改變所述分頻器的分頻比，以便使得在未施加外力的初始狀態中，第二振蕩信號的頻率與所述第一振蕩信號中的另一個的頻率一致。
14.根據權利要求13所述的電容差檢測電路，還包括頻率比較器，所述頻率比較器將從所述振蕩器中的另一個輸出的所述第一振蕩信號中的另一個與第二振蕩信號的頻率比較大小，其中所述分頻控制單元根據所述頻率比較器的比較結果，改變所述分頻器的分頻比。
15.根據權利要求13所述的電容差檢測電路，其中所述鎖相環電路包括分頻器；并且所述分頻器具有小數分頻功能。
16.根據權利要求1所述的電容差檢測電路，還包括襯底；質量體，所述質量體面對所述襯底可移位地放置，并且在垂直于所述襯底的方向上振動，其中所述多個振蕩器是成對的兩個振蕩器；每個所述振蕩器的電容器由在所述襯底上形成的第一電極和在所述質量體上形成的面對第一電極的第二電極構成；并且每個所述振蕩器生成頻率由每個所述電容器的電容確定的第一振蕩信號，所述電容當所述質量體由于外力作用而相對于所述襯底移位時被改變。
17.一種電容差檢測電路，包括一對振蕩器，所述一對振蕩器具有電容隨外力變化的電容器，并且分別根據電容生成第一振蕩信號；一對鎖相環電路，所述一對鎖相環電路具有壓控振蕩器，并且分別從所述振蕩器接收第一振蕩信號，以從壓控振蕩器輸出第二振蕩信號；和檢測單元，所述檢測單元接收分別要被輸入到所述鎖相環電路的壓控振蕩器的輸入電壓，并且檢測接收到的輸入電壓之間的差作為電容之間的相對差，其中所述輸入電壓根據第一振蕩信號和第二振蕩信號的頻率被調節。
18.一種微機電系統傳感器，包括襯底；在所述襯底上形成的一對第一電極；質量體，所述質量體面對所述襯底可移位地放置，在垂直于所述襯底的方向上振動，并且由于在與振動方向垂直的方向上施加的角速度或加速度而移位；分別在所述質量體上面對所述第一電極的位置處形成的第二電極；一對振蕩器，所述一對振蕩器具有一對電容器，并且分別根據電容器的電容生成第一振蕩信號，其中每個所述電容器由彼此面對的第一電極和第二電極形成；檢測單元，通過檢測第一振蕩信號的頻率變化，來檢測電容之間的相對差；和主控制單元，根據由所述檢測單元檢測到的頻率變化，計算在所述襯底的水平方向上施加的角速度或加速度。
19.根據權利要求18所述的微機電系統傳感器，其中至少一個所述振蕩器包括電容可變的可變電容二極管；和調節所述可變電容二極管的電容的控制端子；并且具有所述可變電容二極管的所述至少一個振蕩器根據所述電容器中的一個以及所述可變電容二極管的電容，生成第一振蕩信號。
20.根據權利要求18所述的微機電系統傳感器，其中所述檢測單元包括混頻器，所述混頻器接收一對第一振蕩信號，并輸出頻率差信號，所述頻率差信號的頻率等于接收到的一對第一振蕩信號的頻率之間的差。
21.根據權利要求20所述的微機電系統傳感器，其中所述檢測單元包括頻率/電壓轉換單元，所述頻率/電壓轉換單元將頻率差信號的頻率轉換為指示電容之間的相對差的檢測電壓。
22.根據權利要求21所述的微機電系統傳感器，其中所述頻率/電壓轉換單元包括平滑單元，所述平滑單元使頻率差信號的正電壓分量平滑，以輸出平滑后的電壓作為檢測電壓。
23.根據權利要求21所述的微機電系統傳感器，還包括屏蔽控制單元，當一對第一振蕩信號的頻率之間的差小于預設值時，所述屏蔽控制單元激活屏蔽信號，其中在接收被激活的屏蔽信號時，所述頻率/電壓轉換單元輸出指示電容之間的差為零的檢測電壓。
24.根據權利要求20所述的微機電系統傳感器，其中在未施加外力的初始狀態中，組成所述振蕩器的所述電容器的電容彼此不同；并且在初始狀態中，所述混頻器輸出指示預設初始頻率的頻率差信號。
25.根據權利要求20所述的微機電系統傳感器，還包括頻率比較器，比較第一振蕩信號的頻率大小。
26.根據權利要求20所述的微機電系統傳感器，還包括屏蔽控制單元，當第一振蕩信號的頻率之間的差小于預設值時，所述屏蔽控制單元激活屏蔽信號，其中在接收被激活的屏蔽信號時，所述混頻器輸出指示第一振蕩信號的頻率之間的差為零的頻率差信號。
27.根據權利要求20所述的微機電系統傳感器，還包括分別位于所述振蕩器和所述混頻器之間的一對鎖相環電路，所述一對鎖相環電路分別從所述振蕩器接收第一振蕩信號以生成頻率高于第一振蕩信號頻率的第二振蕩信號，并且將生成的第二振蕩信號輸出到所述混頻器作為第一振蕩信號。
28.根據權利要求27所述的微機電系統傳感器，其中每個所述鎖相環電路具有接收設置值的輸入端子，所述設置值用于改變分頻器的分頻比，以便在未施加外力的初始狀態中，所述混頻器接收到頻率彼此相等的第二振蕩信號，所述分頻器內置在每個所述鎖相環電路中。
29.根據權利要求28所述的微機電系統傳感器，其中所述分頻器具有小數分頻功能。
30.根據權利要求20所述的微機電系統傳感器，還包括位于所述振蕩器中的一個與所述混頻器之間的具有分頻器的鎖相環電路，所述鎖相環電路從所述這個振蕩器接收第一振蕩信號中的一個，生成頻率高于所述這個第一振蕩信號的第二振蕩信號，并且將生成的第二振蕩信號輸出到所述混頻器作為所述這個第一振蕩信號；和分頻控制單元，所述分頻控制單元改變所述分頻器的分頻比，以便使得在未施加外力的初始狀態中，第二振蕩信號的頻率與所述第一振蕩信號中的另一個的頻率一致。
31.根據權利要求30所述的微機電系統傳感器，還包括頻率比較器，所述頻率比較器將從所述振蕩器中的另一個輸出的所述第一振蕩信號中的另一個與所述第二振蕩信號的頻率比較大小，其中所述分頻控制單元根據所述頻率比較器的比較結果，改變所述分頻器的分頻比。
32.根據權利要求30所述的微機電系統傳感器，其中所述鎖相環電路包括分頻器；并且所述分頻器具有小數分頻功能。
33.一種微機電系統傳感器，包括襯底；在所述襯底上形成的一對第一電極；質量體，所述質量體面對所述襯底可移位地放置，在垂直于所述襯底的方向上振動，并且由于在與振動方向垂直的方向上施加的角速度或加速度而移位；分別在所述質量體上面對所述第一電極的位置處形成的第二電極；一對振蕩器，所述一對振蕩器具有一對電容器，并且分別根據電容器的電容生成第一振蕩信號，其中每個所述電容器由彼此面對的第一電極和第二電極形成；一對鎖相環電路，所述一對鎖相環電路具有壓控振蕩器，并且分別從所述振蕩器接收第一振蕩信號，以從壓控振蕩器輸出第二振蕩信號；和檢測單元，所述檢測單元接收分別要被輸入到所述鎖相環電路的壓控振蕩器的輸入電壓，并且檢測接收到的輸入電壓之間的差作為電容之間的相對差，其中所述輸入電壓根據第一振蕩信號和第二振蕩信號的頻率被調節；和主控制單元，根據由所述檢測單元檢測到的頻率變化，計算在所述襯底的水平方向上施加的角速度或加速度。
全文摘要
本發明提供了一種電容差檢測電路和微機電系統傳感器。振蕩器分別具有電容器，電容器的電容隨外力而變化，并且振蕩器根據電容生成第一振蕩信號。例如，每個電容器位于襯底和質量體之間，其中質量體面對襯底可移動地放置，并且在垂直于襯底的方向上振動。檢測單元通過檢測第一振蕩信號頻率之間的差，來檢測電容器的電容之間的相對差。根據檢測單元檢測到的頻率變化，計算在襯底水平方向上施加的角速度或加速度。因此，形成了檢測由外力引起的兩個電容器的電容之間的微小變化的電容差檢測電路和微機電系統傳感器。
文檔編號G01C19/56GK1696717SQ20051006634
公開日2005年11月16日 申請日期2005年4月22日 優先權日2004年5月14日
發明者北野麻世, 鷲見秀司, 森邊剛 申請人:富士通株式會社