本實用新型涉及MEMS加速度傳感器領域，具體涉及一種MEMS加速度傳感器信號調(diào)理電路。

背景技術(shù)：

MEMS加速度傳感器因為具有體積小，重量輕，功耗低，可靠性高和穩(wěn)定性好等特點而受到廣泛應用。常見的MEMS加速度傳感器主要分為MEMS變電容式加速度傳感器和MEMS壓阻式加速度傳感器。MEMS加速度傳感器一般由MEMS加速度傳感器芯片（下面簡稱“MEMS芯片”）、電路板、連接器或電纜線和封裝外殼等構(gòu)成。MEMS芯片用于感測加速度信號，將加速度轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出；電路板上有信號調(diào)理電路，對信號進行調(diào)節(jié)；連接器或電纜線用于傳輸信號；封裝外殼用于保護內(nèi)部器件，同時作為安裝載體。

一般情況下，MEMS芯片本身的輸出特性無法直接滿足使用要求，經(jīng)常需要對輸出信號進行調(diào)節(jié)，即通過信號調(diào)理電路實現(xiàn)，以滿足傳感器的使用要求。決定MEMS加速度傳感器性能的兩個主要指標是零點輸出（0g加速度下的輸出電壓，或者稱為“偏置電壓”）和靈敏度。對零點輸出和靈敏度的調(diào)節(jié)一般通過如圖1的信號調(diào)理電路實現(xiàn)（圖1中，VCC表示各芯片的工作電壓）。其調(diào)整公式為：Vout=G(V_MEMS-V_REF1)+V_REF2。其中G為輸出信號放大倍數(shù)，由圖1中的增益電阻RG的阻值決定。

MEMS芯片U1本身輸出V_MEMS存在一個直流偏置電壓，需要提供一個基準偏置電壓V_REF1，大小等于MEMS芯片U1輸出的直流偏置電壓的電壓值，以抵消MEMS芯片U1原來的偏置電壓，此時零點輸出為0V，經(jīng)過儀表放大器芯片U2對信號放大G倍后，再通過基準調(diào)節(jié)引腳施加基準偏置電壓V_REF2，傳感器的偏置電壓為V_REF2。此種方法，由于是把MEMS芯片本身輸出的直流偏置電壓全部抵消掉，這樣產(chǎn)生的影響是MEMS芯片本身輸出的重力加速度信號（即正弦信號）會有正值和負值，為避免信號失真，所以需要正負電源供電且需要外部施加2個基準電壓信號V_REF1和V_REF2，使電路變得復雜。其次，MEMS芯片的工作方向是固定的，安裝在傳感器內(nèi)部，通過改變MEMS芯片的安裝角度可以改變傳感器的工作方向。如圖2和圖3所示，短的箭頭表示MEMS芯片的工作方向，長的箭頭表示傳感器的工作方向，傳感器的工作方向與MEMS芯片的工作方向相同，只能通過改變MEMS芯片的工作方向來改變傳感器的工作方向。

綜上，現(xiàn)有的這種MEMS加速度傳感器信號調(diào)理電路，存在如下缺陷:

1、需要正負電源供電且需要外部施加2個基準電壓信號，電路復雜，元器件較多，成本增加，可靠性降低；

2、MEMS傳感器要求體積小，而現(xiàn)有的MEMS加速度傳感器信號調(diào)理電路元器件較多會占用較大的空間，傳感器體積較大，無法安裝在一些狹小的空間里面，限制其使用；

3、只能通過改變MEMS芯片的安裝方向來改變其工作方向，降低了MEMS芯片安裝的靈活性；安裝結(jié)構(gòu)設計時受到了一定的限制，有時不得不犧牲傳感器的體積來滿足工作方向的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種MEMS加速度傳感器信號調(diào)理電路，其電路元器件較少，體積較小，成本較低，可靠性較強，而且提高了MEMS芯片安裝的靈活性，可縮小傳感器體積，滿足各種應用要求。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：

一種MEMS加速度傳感器信號調(diào)理電路，包括MEMS芯片、儀表放大器、增益電阻和電壓基準電路，MEMS芯片的信號輸出端接到儀表放大器的正向輸入端或負向輸入端，電壓基準電路的輸出端接到儀表放大器的負向輸入端或正向輸入端，增益電阻接入儀表放大器的增益電阻設置引腳，儀表放大器的基準電壓引腳接地。

所述電壓基準電路包括第一電阻、第二電阻和電壓跟隨器，第一電阻和第二電阻串接于電源與地之間，第一電阻與第二電阻之間的節(jié)點連接至電壓跟隨器的正向輸入端，電壓跟隨器的輸出端連接至電壓跟隨器的負向輸入端。

采用上述方案后，本實用新型的MEMS加速度傳感器信號調(diào)理電路，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

1、本實用新型中，電壓基準電路的輸出電壓（基準偏置電壓）抵消掉一部分的MEMS芯片的直流偏置電壓，而且MEMS芯片本身輸出的重力加速度信號較小，從而能夠保證輸出的信號都為正值，而且最終經(jīng)過運放放大輸出的信號也為正值，所以可直接采用單電源供電（正電源供電），無負電源供電也不會出現(xiàn)信號失真問題。因此，電路元器件較少，體積較小，成本較低，可靠性較強。

2、本實用新型中，MEMS芯片的信號輸出端接到儀表放大器的正向輸入端或負向輸入端，電壓基準電路的輸出端接到儀表放大器的負向輸入端或正向輸入端，從而傳感器的工作方向可以與MEMS芯片的工作方向相同或相反。本實用新型可以通過電路靈活調(diào)節(jié)加速度傳感器的工作方向，無需改變MEMS芯片的安裝方向，提高了MEMS芯片安裝的靈活性，可縮小傳感器體積，滿足各種應用要求。

3、由于電壓基準電路的輸出電壓只是用來抵消掉一部分的MEMS芯片的直流偏置電壓，只要電壓基準電路的輸出電壓選取得當則抵消后剩下的一部分電壓經(jīng)過放大后放大G倍（G為輸出信號放大倍數(shù)，由增益電阻的阻值決定）后可達到所需要的輸出零點電壓值。而MEMS芯片本身的輸出靈敏度也經(jīng)過放大G倍達到所需要的靈敏度值，從而達到同步放大零點和靈敏度的效果。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中MEMS加速度傳感器信號調(diào)理電路的電路原理圖。

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中MEMS芯片的安裝方向與其工作方向的關系示意圖。

圖3為現(xiàn)有技術(shù)中MEMS芯片的安裝方向與其工作方向的另一種關系示意圖。

圖4為本實用新型實施例一的電路原理圖。

圖5為本實用新型實施例二的電路原理圖。

圖6為本實用新型中MEMS芯片的安裝方向與其工作方向的關系示意圖。

圖7中本實用新型中電壓基準電路的電路原理圖。

具體實施方式

實施例一：

本實用新型的一種MEMS加速度傳感器信號調(diào)理電路，實施例一如圖4和圖7所示，包括MEMS芯片U1、儀表放大器U2、增益電阻RG和電壓基準電路，MEMS芯片U1的信號輸出端接到儀表放大器U2的正向輸入端，電壓基準電路的輸出端(輸出基準偏置電壓V_REF1)接到儀表放大器U2的負向輸入端，且基準偏置電壓V_REF1小于MEMS芯片的直流偏置電壓，增益電阻RG接入儀表放大器U2的增益電阻設置引腳，儀表放大器U2的基準電壓引腳REF接地。

電壓基準電路包括第一電阻R2、第二電阻R3和電壓跟隨器U3，第一電阻R2和第二電阻R3串接于電源與地之間，第一電阻R2與第二電阻R3之間的節(jié)點連接至電壓跟隨器U3的正向輸入端，電壓跟隨器U3的輸出端連接至電壓跟隨器U3的負向輸入端。如圖7所示，基準偏置電壓V_REF1由第一電阻R2和第二電阻R3分壓產(chǎn)生，經(jīng)過電壓跟隨器U3后輸出；通過調(diào)節(jié)第一電阻R2和第二電阻R3的阻值就可以調(diào)節(jié)基準偏置電壓V_REF1。

本實施例中，傳感器的工作方向與MEMS芯片的工作方向相同。

工作原理如下：

MEMS芯片U1的輸出電壓（V_MEMS）用如下公式表示：

V_MEMS=Z₁+S₁×A

其中，Z₁為MEMS芯片U1的直流偏置電壓，S₁為MEMS芯片U1的靈敏度，A為MEMS芯片U1的加速度；

假設傳感器的目標輸出電壓公式如下：

V_out= Z+S×A

其中，Z為傳感器的直流偏置電壓，S為傳感器的靈敏度

通過調(diào)節(jié)增益電阻RG的阻值可以將MEMS芯片U1的靈敏度S₁放大到S，增益倍數(shù)如下：

MEMS芯片U1的直流偏置電壓Z₁經(jīng)基準偏置電壓V_REF1抵消部分后以同樣的倍數(shù)G放大，放大后得到目標偏置電壓Z，公式如下：

(Z₁-V_REF1）×G=Z

根據(jù)所選取的MEMS芯片U1的型號和增益電阻RG的阻值，即可得知Z₁和G的值，目標偏置電壓Z的值是與客戶簽訂的技術(shù)協(xié)議中所要求的傳感器產(chǎn)品的偏置電壓值，由客戶給出的值為準，也是已知的。這樣，便可通過計算得到基準電壓值V_REF1，公式如下：

V_REF1=Z₁-Z/G

通過調(diào)節(jié)第一電阻R2和第二電阻R3的阻值就可以調(diào)節(jié)基準偏置電壓V_REF1，設置V_REF1電壓達到目標值，即可得到所需要的傳感器特性。

實施例二：

本實用新型的一種MEMS加速度傳感器信號調(diào)理電路，實施例二如圖5和圖7所示，其與實施例一的區(qū)別僅在于儀表放大器U2的正、負向輸入端的連接方式不同，本實施例中，MEMS芯片U1的信號輸出端接到儀表放大器U2的負向輸入端，電壓基準電路的輸出端(輸出基準偏置電壓V_REF1)接到儀表放大器U2的正向輸入端，且基準偏置電壓V_REF1大于MEMS芯片的直流偏置電壓。

本實施例中，如圖6所示，傳感器的工作方向與MEMS芯片的工作方向相反。

工作原理如下：

MEMS芯片U1的輸出電壓（V_MEMS）用如下公式表示：

V_MEMS=Z₁+S₁×A

其中，Z₁為MEMS芯片U1的直流偏置電壓，S₁為MEMS芯片U1的靈敏度，A為MEMS芯片U1的加速度；

假設傳感器的目標輸出電壓公式如下：

V_out= Z+S×A

其中，Z為傳感器的直流偏置電壓，S為傳感器的靈敏度

通過調(diào)節(jié)增益電阻RG的阻值可以將MEMS芯片U1的靈敏度S₁放大到S，增益倍數(shù)如下：

MEMS芯片U1的直流偏置電壓Z₁經(jīng)基準偏置電壓V_REF1抵消部分后以同樣的倍數(shù)G放大，放大后得到目標偏置電壓Z，公式如下：

(V_REF1-Z₁）×G=Z

根據(jù)所選取的MEMS芯片U1的型號和增益電阻RG的阻值，即可得知Z₁和G的值，目標偏置電壓Z的值是與客戶簽訂的技術(shù)協(xié)議中所要求的傳感器產(chǎn)品的偏置電壓值，由客戶給出的值為準，也是已知的。這樣，便可通過計算得到基準電壓值V_REF1，公式如下：

V_REF1=Z/G+Z₁

通過調(diào)節(jié)第一電阻R2和第二電阻R3的阻值就可以調(diào)節(jié)基準偏置電壓V_REF1，設置V_REF1電壓達到目標值，即可得到所需要的傳感器特性。