CN110018330A - 基于调整结构补偿参数的硅微谐振式加速度计温度补偿算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于调整结构补偿参数的硅微谐振式加速度计温度补偿算法，通过公式推导得到硅微谐振式加速度计接口电路的电容电压增益系数，转化为硅微谐振式加速度计的振幅至输出电压的转化系数，给出电容电压增益系数对温度的敏感度；自动增益控制电路将硅微谐振式加速度计谐振梁的振幅稳定在给定的参考电压驱动下的振幅，当硅微谐振式加速度计接口电路的电容电压增益系数随温度发生变化，当温度发生变化时，***控制电路对谐振频率会产生影响，得到谐振频率与温度的敏感度；通过适当的设置谐振结构的温度补偿结构参数，达到抑制频率随温度漂移的目标。本发明的温度补偿不需要额外增加传感器，成本低，不引入其他影响量，补偿方法精确可靠。

Description

基于调整结构补偿参数的硅微谐振式加速度计温度补偿算法

技术领域

本发明涉及微惯性***技术领域，尤其是一种基于调整结构补偿参数的硅微谐振式加速度计温度补偿算法。

背景技术

加速度计是应用最为广泛的传感器之一，而采用MEMS技术的微加速度计由于具有体积小、功耗低、寿命长等优点已经在社会各行各业中得到应用，比如智能手机中装有微型加速度计，具有更高性能的加速度计则应用在导弹助推、导弹制导等先进武器上。其中硅微谐振式加速度计具有高精度潜力优势更是成为研究热门。硅微谐振式加速度计是通过检测谐振梁的谐振频率变化来反映加速度的变化，为了抑制温度、振动等共模信号的干扰，其结构主要采用差分形式，双谐振器的频率差值具有温漂小，可靠性高的优点，输出信号为数字信号，可直接进入数字***进行数字处理。虽然理论上差分结构能够很好地提高谐振式加速度计的性能，但是由于国内硅加工工艺、器件级封装工艺、结构之间的粘接工艺和其它工艺的不成熟，导致上下谐振器的不对称，使温漂系数不同，差分输出后仍然存在着温漂。由于温度的变化不仅会影响材料参数、结构尺寸和残余应力的变化，同时也会影响***控制电路。通过恰当设置结构的温度补偿结构参数，使得结构上对温度的敏感度和电路上对温度的敏感度大小相同，方向相反，以达到抑制温度变化对谐振频率的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于调整结构补偿参数的硅微谐振式加速度计温度补偿算法，可以实时弥补加速度计驱动检测电路随温度变化造成的误差，且无需外加传感器，避免引入其它误差，大大提高补偿精度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于调整结构补偿参数的硅微谐振式加速度计温度补偿算法，包括如下步骤：

(1)根据接口电路建立谐振梁驱动检测方程，得到谐振式加速度计的接口电路差变电容信号的增益K_C/V；

(2)根据差变电容的增益建立谐振梁振幅对温度的敏感度，得到K_X/V和

(3)当温度发生变化时，环形二极管的接口电路的增益K_C/V发生变化，自动增益控制电路为了维持χ恒定的幅值，则相应的振动幅度也会发生变化；通过合理的设置谐振结构的温度补偿结构参数，达到抑制频率随温度漂移的作用。

优选的，步骤(1)中，根据接口电路建立谐振梁驱动检测方程，得到谐振式加速度计的接口电路差变电容信号的增益K_C/V具体为：

C′₀为检测端梳齿电容，n′为检测端梳齿个数；ε为介电常数；l′为无静电驱动力的情况下检测端固定梳齿与可动梳齿之间的重合长度；h为梳齿厚度；b为梳齿的宽度；a为交叉梳齿沿水平方向的间距；d为交叉梳齿沿垂直方向的间距；通常情况下a》d，l＞＞b，则检测端电容可以简化表示为：

ΔC为检测梳齿端电容变化量，表示可动梳齿的位移呈正弦变化规律；

ΔC＝A_csinωt

为检测电容实时容值，硅微谐振式加速度计采用方波驱动，在方波的正半周期，通过D₁对C₄充电，通过D₃对C₃充电；在信号的负半周期，D₂和D₄导通，方波通过D₄对C₃放电，通过D₂对C₄放电；由于检测电容的实时容值不等，导致对C₃和C₄的充放电电流不等，所以在充放电容上就产生了电压差，通过环形二极管后端的仪表放大器电路得到反应电容变化的放大电压信号；在方波的正半周期，可建立如下方程：

式中，V_C为载波信号幅值的绝对值；和分别为和C₄上的电压，其值随时间变化；R为信号源的输出阻抗；V_D为二极管的正向压降；解上式得

同理可得，正半周期方波通过D₃对C₃充电，可得：

在正半周期内，和的差值经过仪表放大器的放大，得到电压的稳态值为：

式中，T为方波信号的周期，K_amp为仪表放大器的放大倍数，可由外接电阻来调整，且

同理，在方波信号的负半周期内，得：

设C₃＝C₄＝C，得仪表放大器的输出稳定电压为：

将上式进行泰勒公式展开可得单个谐振器的电容变化量ΔC与输出电压的关系，忽略高阶项的影响，得：

将ΔC＝A_csinωt代入上式，得

上式说明仪表放大器的输出电压与差变电容变化存在关系，而当C′₀＜＜C时，得其对差变电容信号的增益为：

。

优选的，步骤(2)中，根据差变电容的增益建立谐振梁振幅对温度的敏感度，得到K_X/V和具体为：由差变电容信号的增益可得谐振梁振幅对电压的增益K_X/V：

由此可得谐振梁振幅对温度的敏感度为：

由上式可知谐振梁振幅对温度的敏感度与环形二极管接口电路对温度的敏感度存在一个比例关系；

硅微谐振式加速度计采用自动增益控制电路，把振幅维持在一个恒定的位置χ，同时满足：

χ＝K_X/V·X

式中，X为谐振梁的振幅。

优选的，步骤(3)中，当温度发生变化时，环形二极管的接口电路的增益K_C/V发生变化，自动增益控制电路为了维持χ恒定的幅值，则相应的振动幅度也会发生变化；通过合理的设置谐振结构的温度补偿结构参数，达到抑制频率随温度漂移的作用具体为：根据谐振加速度计的谐振频率方程，建立谐振频率对温度的敏感度方程：

式中，ω为谐振梁谐振频率；K_3,eff为三阶弹性系数；K_eq为谐振梁等效刚度；

建立谐振频率对时间的微分，得到频率对温度的敏感度和环形二极管对温度的敏感度的关系：

式中，为温度补偿结构参数；从上式可知，通过合理的设置谐振结构的温度补偿结构参数，可达到抑制频率随温度漂移的作用。

优选的，通过合理的设置谐振结构的温度补偿结构参数，使得为-1，即结构上对温度的敏感度与电路对温度的敏感度大小相等，方向相反。

本发明的有益效果为：本发明可以实时弥补加速度计驱动检测电路随温度变化造成的误差，且无需外加传感器，避免引入其它误差，大大提高补偿精度。

附图说明

图1为本发明环形二极管的接口电路示意图。

具体实施方式

一种硅微谐振式微加速度计，包括敏感加速度的机械结构和驱动检测的***电路。当硅微谐振式加速度计所处的外界环境温度发生变化时，不仅会影响加速度计的机械结构部分，改变结构应力，从而影响谐振频率，而且也会影响***驱动检测电路的工作平衡点，产生温度漂移。本发明从公式上推导出谐振结构的温度补偿结构对温度敏感度和电路上对温度敏感度的关系，从而指导结构参数的设置，达到抑制频率随温度漂移的作用。

推导谐振梁的驱动和检测接口电路方程，驱动梳齿施加的静电力驱动梳齿产生谐振，检测梳齿读取电容的变化量，由锁相环电路控制相位，AGC电路控制幅度，将两者输出的信号加载到驱动梳齿端，形成一个闭环的控制***。谐振式加速度计中的机械结构随温度变化产生应力变化，检测驱动电路中的电子元器件工作点随温度变化而发生改变。驱动梳齿给谐振梁施加静电力，使谐振梁稳定在谐振状态。通过锁相环电路进行相位控制，AGC电路进行幅度控制。选取合适的机械结构参数，使得机械结构随温度变换产生的应力变化所导致谐振频率的变化，与电子元器件随温度变化导致谐振频率发生变化的大小相等，方向相反，抑制温度对谐振式加速度计的输出信号的误差。

一种硅微谐振式加速度计的自温度补偿算法，所述算法包括如下步骤：

(1)如图1所示为环形二极管的接口电路，该电路可以直接放大加速度计输出的微弱信号，且对后级电路的要求比较低，根据接口电路建立谐振梁驱动检测方程，得到谐振式加速度计的接口电路差变电容信号的增益K_C/V；

C′₀为检测端梳齿电容，n′为检测端梳齿个数；ε为介电常数；l′为无静电驱动力的情况下检测端固定梳齿与可动梳齿之间的重合长度；h为梳齿厚度；b为梳齿的宽度；a为交叉梳齿沿水平方向的间距；d为交叉梳齿沿垂直方向的间距；通常情况下a＞＞d,l＞＞b，则检测端电容可以简化表示为：

ΔC为检测梳齿端电容变化量，表示可动梳齿的位移呈正弦变化规律；

ΔC＝A_csinωt

为检测电容实时容值，硅微谐振式加速度计采用方波驱动，如图1所示，在方波的正半周期，通过D₁对C₄充电，通过D₃对C₃充电；在信号的负半周期，D₂和D₄导通，方波通过D₄对C₃放电，通过D₂对C₄放电；由于检测电容的实时容值不等，导致对C₃和C₄的充放电电流不等，所以在充放电容上就产生了电压差，通过环形二极管后端的仪表放大器电路得到反应电容变化的放大电压信号。在方波的正半周期，可建立如下方程：

式中，V_C为载波信号幅值的绝对值；和分别为和C₄上的电压，其值随时间变化；R为信号源的输出阻抗；V_D为二极管的正向压降。解上式得

同理可得，正半周期方波通过D₃对C₃充电，可得：

在正半周期内，和的差值经过仪表放大器的放大，得到电压的稳态值为：

式中，T为方波信号的周期，K_amp为仪表放大器的放大倍数，可由外接电阻来调整，且

同理，在方波信号的负半周期内，得：

设C₃＝C₄＝C，得仪表放大器的输出稳定电压为：

将上式进行泰勒公式展开可得单个谐振器的电容变化量ΔC与输出电压的关系，忽略高阶项的影响，得：

将ΔC＝A_csinωt代入上式，得

上式说明仪表放大器的输出电压与差变电容变化存在关系，而当C′₀＜＜C时，得其对差变电容信号的增益为：

(2)根据差变电容的增益建立谐振梁振幅对温度的敏感度，得到K_X/V和

由差变电容信号的增益可得谐振梁振幅对电压的增益K_X/v：

由此可得谐振梁振幅对温度的敏感度为：

由上式可知谐振梁振幅对温度的敏感度与环形二极管接口电路对温度的敏感度存在一个比例关系。

硅微谐振式加速度计采用自动增益控制电路，把振幅维持在一个恒定的位置χ，同时满足：

χ＝K_X/V·X

式中，X为谐振梁的振幅。

(3)当温度发生变化时，环形二极管的接口电路的增益K_C/V发生变化，自动增益控制电路为了维持χ恒定的幅值，则相应的振动幅度也会发生变化。根据谐振加速度计的谐振频率方程，建立谐振频率对温度的敏感度方程：

式中，ω为谐振梁谐振频率；K_3,eff为三阶弹性系数；K_eq为谐振梁等效刚度。

建立谐振频率对时间的微分，得到频率对温度的敏感度和环形二极管对温度的敏感度的关系：

式中，为温度补偿结构参数。从上式可知，通过合理的设置谐振结构的温度补偿结构参数，使得为-1，即结构上对温度的敏感度与电路对温度的敏感度大小相等，方向相反，可达到抑制频率随温度漂移的作用。

本发明算法提供了一种改善MEMS谐振式加速度计温度特性新的思路，在加工条件允许的情况下，基于调整结构补偿参数进行加速度计的温度补偿。该方法可以降低温度波动对硅微谐振式加速度计测量精度的影响，提高加速度计的精度和稳定性。

Claims (5)

1.基于调整结构补偿参数的硅微谐振式加速度计温度补偿算法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据接口电路建立谐振梁驱动检测方程，得到谐振式加速度计的接口电路差变电容信号的增益K_C/V；

(2)根据差变电容的增益建立谐振梁振幅对温度的敏感度，得到K_X/V和

(3)当温度发生变化时，环形二极管的接口电路的增益K_C/V发生变化，自动增益控制电路为了维持χ恒定的幅值，则相应的振动幅度也会发生变化；通过合理的设置谐振结构的温度补偿结构参数，达到抑制频率随温度漂移的作用。

2.如权利要求1所述的基于调整结构补偿参数的硅微谐振式加速度计温度补偿算法，其特征在于，步骤(1)中，根据接口电路建立谐振梁驱动检测方程，得到谐振式加速度计的接口电路差变电容信号的增益K_C/V具体为：

C′₀为检测端梳齿电容，n′为检测端梳齿个数；ε为介电常数；l′为无静电驱动力的情况下检测端固定梳齿与可动梳齿之间的重合长度；h为梳齿厚度；b为梳齿的宽度；a为交叉梳齿沿水平方向的间距；d为交叉梳齿沿垂直方向的间距；通常情况下a＞＞d，l＞＞b，则检测端电容简化表示为：

ΔC为检测梳齿端电容变化量，表示可动梳齿的位移呈正弦变化规律；

ΔC＝A_csinωt

为检测电容实时容值，硅微谐振式加速度计采用方波驱动，在方波的正半周期，通过D₁对C₄充电，通过D₃对C₃充电；在信号的负半周期，D₂和D₄导通，方波通过D₄对C₃放电，通过D₂对C₄放电；由于检测电容的实时容值不等，导致对C₃和C₄的充放电电流不等，所以在充放电容上就产生了电压差，通过环形二极管后端的仪表放大器电路得到反应电容变化的放大电压信号；在方波的正半周期，建立如下方程：

式中，V_C为载波信号幅值的绝对值；和分别为和C₄上的电压，其值随时间变化；R为信号源的输出阻抗；V_D为二极管的正向压降；解上式得

同理可得，正半周期方波通过D₃对C₃充电，可得：

在正半周期内，和的差值经过仪表放大器的放大，得到电压的稳态值为：

式中，T为方波信号的周期，K_amp为仪表放大器的放大倍数，由外接电阻来调整，且

同理，在方波信号的负半周期内，得：

设C₃＝C₄＝C，得仪表放大器的输出稳定电压为：

将上式进行泰勒公式展开可得单个谐振器的电容变化量ΔC与输出电压的关系，忽略高阶项的影响，得：

将ΔC＝Ac_sinωt代入上式，得

上式说明仪表放大器的输出电压与差变电容变化存在关系，而当C′₀＜＜C时，得其对差变电容信号的增益为：

3.如权利要求1所述的基于调整结构补偿参数的硅微谐振式加速度计温度补偿算法，其特征在于，步骤(2)中，根据差变电容的增益建立谐振梁振幅对温度的敏感度，得到K_X/V和具体为：由差变电容信号的增益可得谐振梁振幅对电压的增益K_X/V：

由此可得谐振梁振幅对温度的敏感度为：

由上式可知谐振梁振幅对温度的敏感度与环形二极管接口电路对温度的敏感度存在一个比例关系；

硅微谐振式加速度计采用自动增益控制电路，把振幅维持在一个恒定的位置X，同时满足：

χ＝K_X/V·X

式中，X为谐振梁的振幅。

4.如权利要求1所述的基于调整结构补偿参数的硅微谐振式加速度计温度补偿算法，其特征在于，步骤(3)中，当温度发生变化时，环形二极管的接口电路的增益K_C/V发生变化，自动增益控制电路为了维持χ恒定的幅值，则相应的振动幅度也会发生变化；通过合理的设置谐振结构的温度补偿结构参数，达到抑制频率随温度漂移的作用具体为：根据谐振加速度计的谐振频率方程，建立谐振频率对温度的敏感度方程：

式中，ω为谐振梁谐振频率；K_3，eff为三阶弹性系数；K_eq为谐振梁等效刚度；

建立谐振频率对时间的微分，得到频率对温度的敏感度和环形二极管对温度的敏感度的关系：

式中，为温度补偿结构参数；从上式可知，通过合理的设置谐振结构的温度补偿结构参数，达到抑制频率随温度漂移的作用。

5.如权利要求4所述的基于调整结构补偿参数的硅微谐振式加速度计温度补偿算法，其特征在于，通过合理的设置谐振结构的温度补偿结构参数，使得为-1，即结构上对温度的敏感度与电路对温度的敏感度大小相等，方向相反。