一种新型高精度MEMS加速度计制造技术

本发明专利技术涉及一种加速度计，具体涉及一种MEMS加速度计，具体为将高速的数字量化单元嵌入到MEMS加速度计的sigma‑delta全闭环电路中，并通过信号估计与处理，实现了由低位量化器组成的MEMS全闭环sigma‑delta系统达到了全数字闭环和高位数字量化输出。通过本发明专利技术的信号处理算法、系统稳定性设计，实现反馈静电力量化的同时，实现了数字反馈。同时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，有效地提高了MEMS加速度计的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种新型高精度MEMS加速度计
本专利技术涉及电容式惯性传感器，特别涉及MEMS(MicroElectroMechanicalSystem)速度计数字伺服电路。
技术介绍
电容式惯性传感器一般包括加速度传感器和陀螺仪等惯性传感器，由这些惯性传感器实时测量运载体相对于地面运动的加速度等参数，以确定运载体的位置和地球重力场参数，并将被测量的变化转化为电容的变化。下面以MEMS(MicroElectroMechanicalSystem)电容式惯性传感器为例进行介绍。随着MEMS(MicroElectroMechanicalSystem)技术的日益成熟，MEMS电容式惯性传感器由于具有体积小、灵敏度高、直流特性稳定、漂移小、功耗低、温度系数小等优点被广泛的运用，然而MEMS电容式惯性传感器的电容变化小，所以要求MEMS电容式惯性传感器伺服电路具有精度高，线性度好，动态范围大等特性。现有MEMS电容式惯性传感器伺服电路从结构分为闭环结构和开环结构两种，从输出信号分为模拟信号输出和数字信号输出。开环结构的电容式惯性传感器伺服电路在线性度和测量量程以及动态范围等受到制约；闭环实现方案分为两种，一种是基于模拟闭环负反馈方案(其中，采用“ADC+DSP+DAC”奈奎斯特采样率下进行运算仍然属于类似的方案)，基于模拟闭环负反馈技术的方案在现有的技术文献中介绍很多，这里不再赘述，模拟闭环负反馈存在的问题如：静电负刚度问题、动态测量精度问题、温度稳定性问题、无法实现高精度数字量化问题等等都可以很好的通过基于sigma-delta的数字闭环方案去解决，基于sigma-delta闭环负反馈技术，实现数字化输出的同时，采用过采样实现了噪声整形，此外，采用过采样深度负反馈技术，使得活动质量块位移几乎为零，实现了很好的线性度和良好的动态特性。以下从sigma-deltamodulatorMEMS全闭环加速度计
，对现有技术进行分析：现有技术1：现有MEMS电容式惯性传感器数字闭环伺服电路被最广泛运用的结构是单量化器1位反馈sigma-delta调制器(参见图2)。它包含读出放大电路，环路滤波器，比较器和1位力反馈控制信号发生器。其中读出放大电路将电容式惯性传感器电容的变化转换为电压的变化；环路滤波器将读出放大电路的输出信号进行处理，实现噪声的整形和整个闭环回路的稳定；比较器将环路滤波器的输出信号量化成1位的数字信号输出，以便于后续处理，同时输入给1位力反馈控制信号发生器；1位力反馈控制信号发生器产生力反馈控制信号。整个闭环回路实现对MEMS电容式惯性传感器的检测，并且数字化输出。这个结构的MEMS电容式惯性传感器数字闭环伺服电路存在以下一些缺点：由于单量化器1位反馈sigma-delta调制器中的环路滤波器是用模拟电路实现的，而环路滤波器对数字闭环伺服电路的稳定性和噪声整形效果至关重要，所以对环路滤波器的参数精确性和匹配性要求高。然而由于MEMS制造工艺的复杂性和特殊性，MEMS电容式惯性传感器自身参数的准确性较差，分散性大，往往导致原本匹配好的环路滤波器变的不匹配，轻者导致数字闭环伺服电路性能下降，重者导致数字闭环伺服电路不稳定，无法正常工作；用模拟电路实现的环路滤波器由于集成电路加工的误差和寄生效应的存在，导致环路滤波器的参数精确性比较差，难于准确控制。此外，采用全模拟方案无法实现信号的数字处理于补偿，无法处理外部干扰信号的影响，如噪声、温度等。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种高精度，数字输出，并具有噪声抑制能力的高精度MEMS加速度计。本专利技术解决上述问题的技术方案是：一种MEMS加速度计，所述MEMS加速度计包括：MEMS敏感单元，所述MEMS敏感单元用于感受加速度信号，将所述加速度信号转化为惯性力成为MEMS敏感单元输出信号；读出装置，所述读出装置将所述MEMS敏感单元输出信号转化为脉冲产生装置可识别的输入信号；脉冲产生装置，所述脉冲产生装置将所述输入信号进行信号估计、控制算法转换、数字量化得到量化的比特流信号，所述量化的比特流信号经转化为静电力用于平衡所述惯性力。进一步地，所述脉冲产生装置包括信号估计单元、控制算法单元、数字量化单元。进一步地，所述信号估计单元对所述输入信号进行预处理和真实值估计，并将估计后的信号输出给所述控制算法单元。进一步地，所述控制算法单元将信号估计单元估计后的信号进行相位补偿和噪声整形，所述数字量化单元将相位补偿和噪声整形后的信号量化输出为量化的比特流信号。进一步地，所述MEMS加速度计还包括静电力脉冲控制单元；所述MEMS敏感单元、所述读出装置、所述脉冲产生装置及所述静电力脉冲控制单元依次连接构成回路。进一步地，所述静电力脉冲控制单元包括时序控制单元、电压基准源单元。进一步地，所述读出装置包括可变增益放大器。进一步地，所述脉冲产生装置通过信号估计单元的信噪比调整所述可变增益放大器的增益。进一步地，所述静电力脉冲控制单元接收量化的比特流信号，所述时序控制单元通过控制切换所述电压基准源单元导通的方向和导通的次数，以判断加速度信号的方向及大小，实现反馈静电力平衡所述惯性力。进一步地，所述读出装置还包含前置放大器和模数转换器。进一步地，所述前置放大器对所述MEMS敏感单元输出信号进行过采样。进一步地，所述模数转换器采样速率高于所述前置放大器。进一步地，所述量化的比特流信号是过采样的调制信号，包含用于平衡所述惯性力的大小和极性信息。进一步地，所述MEMS敏感单元输出信号为电容的变化信号。进一步地，所述MEMS加速计还包括抽取滤波单元，所述抽取滤波单元将量化后的比特流信号进行降采样和滤波处理后输出为可识别的高位数字量信号。一种MEMS加速度计的控制方法，所述方法包括以下步骤：A)提供MEMS敏感单元，所述MEMS敏感单元用于感受加速度信号，将所述加速度信号转化为惯性力成为MEMS敏感单元输出信号；B)提供读出装置，所述读出装置将MEMS敏感单元输出信号转化为脉冲产生装置可识别的输入信号；C)提供脉冲产生装置，所述脉冲产生装置将所述输入信号进行控制算法转换、数字量化得到量化的比特流信号，所述量化的比特流信号经转化为静电力用于平衡所述惯性力。进一步地，所述方法还提供静电力脉冲控制单元；所述MEMS敏感单元、读出装置、脉冲产生装置及静电力脉冲控制单元依次连接构成回路。进一步地，所述静电力脉冲控制单元包括时序控制单元、电压基准源单元。进一步地，所述静电力脉冲控制单元接收量化的比特流信号，所述时序控制单元通过控制切换电压基准源单元导通的方向和导通的次数，判断加速度信号的方向及大小，实现反馈静电力平衡所述惯性力。进一步地，所述脉冲产生装置包括信号估计单元、控制算法单元、数字量化单元。进一步地，所述信号估计单元对输入信号进行预处理和真实值估计，并将估计后的信号输出给控制算法单元；所述控制算法单元将信号估计单元估计后的信号进行相位补偿和噪声整形，所述数字量化单元将相位补偿和噪声整形后的信号量化输出为量化的比特流信号。进一步地，所述读出装置包含前置放大器和模数转换器；所述前置放大器对MEMS敏感单元输出信号进行过采样；所述模数转换器采样速率高于前置放大器。进一步地，所述量化的比特流信号是过采样的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS加速度计，其特征在于，所述MEMS加速度计包括：MEMS敏感单元，所述MEMS敏感单元用于感受加速度信号，将所述加速度信号转化为惯性力成为MEMS敏感单元输出信号；读出装置，所述读出装置将所述MEMS敏感单元输出信号转化为脉冲产生装置可识别的输入信号；脉冲产生装置，所述脉冲产生装置将所述输入信号进行信号估计、控制算法转换、数字量化得到量化的比特流信号，所述量化的比特流信号经转化为静电力用于平衡所述惯性力。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS加速度计，其特征在于，所述MEMS加速度计包括：MEMS敏感单元，所述MEMS敏感单元用于感受加速度信号，将所述加速度信号转化为惯性力成为MEMS敏感单元输出信号；读出装置，所述读出装置将所述MEMS敏感单元输出信号转化为脉冲产生装置可识别的输入信号；所述读出装置还包含前置放大器和模数转换器；所述前置放大器对所述MEMS敏感单元输出信号进行过采样；脉冲产生装置，所述脉冲产生装置将所述输入信号进行信号估计、控制算法转换、数字量化得到量化的比特流信号，所述量化的比特流信号经转化为静电力用于平衡所述惯性力；所述量化的比特流信号是过采样的调制信号，包含用于平衡所述惯性力的大小和极性信息。2.根据权利要求1所述的一种MEMS加速度计，其特征在于，所述脉冲产生装置包括信号估计单元、控制算法单元、数字量化单元。3.根据权利要求2所述的一种MEMS加速度计，其特征在于，所述信号估计单元对所述输入信号进行预处理和真实值估计，并将估计后的信号输出给所述控制算法单元。4.根据权利要求3所述的一种MEMS加速度计，其特征在于，所述控制算法单元将信号估计单元估计后的信号进行相位补偿和噪声整形，所述数字量化单元将相位补偿和噪声整形后的信号量化输出为量化的比特流信号。5.根据权利要求1所述的一种MEMS加速度计，其特征在于，所述MEMS加速度计还包括静电力脉冲控制单元；所述MEMS敏感单元、所述读出装置、所述脉冲产生装置及所述静电力脉冲控制单元依次连接构成回路。6.根据权利要求5所述的一种MEMS加速度计，其特征在于，所述静电力脉冲控制单元包括时序控制单元、电压基准源单元。7.根据权利要求1所述的一种MEMS加速度计，其特征在于，所述读出装置包括可变增益放大器。8.根据权利要求7所述的一种MEMS加速度计，其特征在于，所述脉冲产生装置通过信号估计单元的信噪比调整所述可变增益放大器的增益。9.根据权利要求6所述的一种MEMS加速度计，其特征在于，所述静电力脉冲控制单元接收量化的比特流信号，所述时序控制单元通过控制切换所述电压基准源单元导通的方向和导通的次数，以判断加速度信号的方向及大小，实现反馈静电力平衡所述惯性力。10.根据权利要求1所述的一种MEMS加速度计，其特征在于，所述模数转换器采样速率高于所述前置放大器。11.根据权利要求1所述的一种MEMS加速度计，其特征在于，所述MEMS敏感单元输出信号为电容的变化信号。12.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛旭，杨长春，李宗伟，熊兴崟，韩可都，丛宁，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11