一种MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及MEMS惯性器件领域，具体涉及一种MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法及系统，在不进行额外的非补偿的情况下，通过计算闭环控制量，计算出施加至上极板的上极板电压U

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及MEMS惯性器件领域，具体涉及一种MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法及系统。

技术介绍

[0002]MEMS电容式加速度计是MEMS技术在惯性器件领域的典型应用之一，MEMS电容式加速度计是将MEMS的微型制造技术和检测技术应用于加速度检测的器件，它的低成本、小体积等优点使其在二十世纪九十年代后广泛应用于汽车、智能手机为代表的消费电子设备中，同时也在工业生产、航天航空和国防军工等领域发挥着重要作用。
[0003]MEMS闭环变间距差分电容式加速度计是MEMS电容式加速度计的一种高性能产品，其以闭环控制来改善开环结构中存在的非线性度高、灵敏度与量程无法兼得等问题，促进MEMS电容式加速度计性能一步提升到战术级。但在引入闭环控制的过程中，由于MEMS结构加工误差及检测电路的不对称性，适用于理论情况的闭环控制方法在实际应用时会引入新的非线性量。公告号为CN105008935A的中国专利技术专利，公开了“具有静电摆式加速度计的传感器以及控制这种传感器的方法”，这种敏感结构为三明治的加速度计通过在上电容极板或下电容极板施加静反馈电压获得与正负方向惯性力所抵消的静电力实现闭环控制，这种闭环控制会由于上下电容极板及检测的不对称而产生正负方向加速度检测的灵敏度不统一，从而产生非线性项；公告号为CN108344881A的中国专利技术专利，公开了“一种闭环微加速度计的敏感结构”，这种敏感结构为三明治的加速度计的闭环控制方法为中间电极电压固定，在上下电极上施加大小相同、符号相反的电压，这种闭环控制会由于上下电容极板及检测的不对称而直接产生非线性项。
[0004]因此，亟需一种新的闭环控制方法以提升MEMS电容式加速度计的线性度，进而提升加速度计性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有的闭关控制方法对MEMS电容式加速度计的线性度提升不足的问题，提出一种MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法及系统，在不进行额外的非线性补偿的情况下，通过计算闭环控制量，计算出施加至上极板的电压U
T
和施加至下极板的电压U
B
；通过施加电压产生的静电力消除质量块在加速度作用下产生的惯性力，计算加速度测量值，在减小运算量的同时，提升了闭环电容式加速度计的线性度，进一步提升闭环电容式加速度计的性能。
[0006]本专利技术具体实现内容如下：
[0007]一种MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法，用于消除闭环电容式加速度计在惯性力作用下敏感的惯性力；方法包括以下步骤：
[0008]步骤1：生成载波信号，并将所述载波信号和输入闭环电容式加速度计的加速度信号调制为电容变化信号；
[0009]步骤2：将所述电容变化信号解调为差分模拟电压信号，并将所述差分模拟电压信号转换为差分数字电压信号；
[0010]步骤3：根据所述差分数字电压信号生成闭环控制所需的闭环控制量，并根据所述闭环控制量计算施加至所述上极板的上极板电压U
T
和施加至所述下极板的下极板电压U
B
；
[0011]步骤4：根据施加至所述上极板的上极板电压U
T
和施加至所述下极板的下极板电压UB产生的静电力消除所述闭环电容式加速度计的质量块在加速度下敏感到的惯性力，并根据所述闭环控制量计算加速度测量值。
[0012]为了更好地实现本专利技术，进一步地，所述步骤4的具体操作为：根据所述闭环控制量，结合闭环电容式加速度计参数，计算施加至所述上极板的上极板电压U
T
和施加至所述下极板的下极板电压U
B
；所述闭环电容式加速度计参数用于指示所述闭环电容式加速度计获得的最大量程。
[0013]为了更好地实现本专利技术，进一步地，所述计算施加至所述上极板的上极板电压U
T
的具体操作为：
[0014][0015]计算施加至所述下极板的下极板电压U
B
的具体操作为：
[0016][0017]其中，ΔB为闭环控制量，B为闭环电容式加速度计参数。
[0018]为了更好地实现本专利技术，进一步地，步骤5中所述计算加速度测量值的具体操作为：
[0019]a
det
＝Constant+Scale*ΔB
[0020]其中，ΔB为闭环控制量，Constant为实际零偏测试得到的零偏，Scale为标度因子测试得到的标度因子，a
det
为加速度测量值。
[0021]基于上述提出的MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法，为了更好地实现本专利技术，进一步地，提出一种MEMS闭环电容式加速度计控制系统，与加速度计连接；加速度计包括加速度计敏感结构；加速度计敏感结构包括上极板、下极板、中间极板、质量块；其特征在于，电容式加速度计闭环控制系统包括处理模块、载波模块、CV转换模块；载波模块的输入端输入载波信号，输出端与中间极板连接；中间极板与质量块连接；CV转换模块的输入端与中间极板连接，输出端与处理模块的输入端连接；处理模块的输出端与上极板、下极板连接；
[0022]载波模块，用于将载波信号和输入加速度计的加速度信号调制为电容变化信号；
[0023]CV转换模块，用于将电容变化信号解调为差分模拟电压信号；
[0024]处理模块，用于将差分模拟电压信号转换为差分数字电压信号，并根据差分数字电压信号生成极板控制电压信号；然后根据极板控制电压信号计算闭环控制量；并根据闭环控制量，计算施加至上极板的电压U
T
和施加至下极板的电压U
B
；最后根据极板控制电压信号产生的静电力消除质量块在惯性力作用下产生的位移，并根据电压U
T
、电压U
B
计算加速度测量值。
[0025]为了更好地实现本专利技术，进一步地，处理模块包括PID控制模块、板极控制电压解算模块；PID控制模块的输入端与CV转换模块的输出端连接，PID控制模块的输出端与板极
控制电压解算模块的输入端连接；板极控制电压解算模块的输出端与上极板和下极板连接；
[0026]PID控制模块，用于根据差分数字电压信号生成极板控制电压信号，并根据极板控制电压信号计算闭环控制量；
[0027]板极控制电压解算模块，用于根据所述闭环控制量，结合闭环电容式加速度计参数，计算施加至所述上极板的上极板电压U
T
和施加至所述下极板的下极板电压U
B
；并根据所述闭环控制量计算加速度测量值；加速度计参数用于指示加速度计的获得的最大量程。
[0028]为了更好地实现本专利技术，进一步地，闭环电容式加速度计控制系统还包括温度传感器；温度传感器与处理模块连接；
[0029]温度传感器，用于测量加速度计敏感结构的温度信息；
[0030]处理模块，还用于根据温度信息补偿加速度计敏感结构因温度产生的漂移，生成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：生成载波信号，并将所述载波信号和输入闭环电容式加速度计的加速度信号调制为电容变化信号；步骤2：将所述电容变化信号解调为差分模拟电压信号，并将所述差分模拟电压信号转换为差分数字电压信号；步骤3：根据所述差分数字电压信号生成闭环控制所需的闭环控制量，并根据所述闭环控制量计算施加至所述上极板的上极板电压U
T
和施加至所述下极板的下极板电压U
B
；步骤4：根据施加至所述上极板的上极板电压U
T
和施加至所述下极板的下极板电压U
B
产生的静电力消除所述闭环电容式加速度计的质量块在加速度下敏感到的惯性力，并根据所述闭环控制量计算加速度测量值。2.如权利要求1所述的一种MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体操作为：根据所述闭环控制量，结合闭环电容式加速度计参数，计算施加至所述上极板的上极板电压U
T
和施加至所述下极板的下极板电压U
B
；所述闭环电容式加速度计参数用于指示所述闭环电容式加速度计获得的最大量程。3.如权利要求2所述的一种MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法，其特征在于，所述计算施加至所述上极板的上极板电压U
T
的具体操作为：计算施加至所述下极板的下极板电压U
B
的具体操作为：其中，ΔB为闭环控制量，B为闭环电容式加速度计参数。4.如权利要求2所述的一种MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法，其特征在于，步骤4中所述计算加速度测量值的具体操作为：a
det
＝Constant+Scale*ΔB其中，ΔB为闭环控制量，Constant为实际零偏测试得到的零偏，Scale为标度因子测试得到的标度因子，a
det
为加速度测量值。5.一种MEMS闭环电容式加速度计控制系统，与闭环电容式加速度计连接；所述闭环电容式加速度计包括加速度计敏感结构；所述加速度计敏感结构包括上极板、下极板、中间极板、质量块；其特征在于，所述闭环电容式加速度计闭环控制系统包括处理模块、载波模块、CV转换模块；所述载波模块的输入端输入载波信号，输出端与所述中间极板连接；所述中间极板与所述质量块连接；所述CV转换模块的输入端与所述中间极板连接，输出端与所述处理模块的输入端连接；所述处理模块的输出端与所述上极板、所述下极板连接；所述载波模块，用于将所述载波信号和输入所述闭环电容式加速度计的加速度信号调制为电容变化信号；所述CV转换模块，用于将所述电容变化信号解调为差分模拟电压信号；所述处理模块，用于将所述差分模拟电压信号转换为差分数字电压信号，并根据所述差分数字电压信号生成极板控制电压信号；然后根据所述差分数字电压信号生成闭环控制所需的闭环控制量，并根据所述闭环控制量计算施加至所述上极板的上极板电压U
T
和施加
至所述下极板的下极板电压U
B
；最后根据施加至所述上极板的上极板电压U
T
和施加至所述下极板的下极板电压U
B
产生的静电力消除所述闭环电容式加速度计的质量块在加速度下敏感到的惯性力，并根据所述闭环控制量计算加速度测量值。6.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶启，杨军，陈李，
申请(专利权)人：江苏元宇汇芯电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：