一种静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法技术

本发明专利技术提供了一种静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法，属于仪器仪表领域，方法为：将加速度信号转换为位移信号；平行板电容动极板移动，与对应的两个平行板电容定极板形成差分电容；在平行板电容动极板上施加偏置电压，将差分电容转换为电压信号；采用载波对差分电容调制，与电压信号相乘后顺次经过低通滤波和PID控制形成反馈控制信号；将反馈控制信号与载波信号相加获取定极板施加信号；作用在平行板电容定极板的定极板施加信号，与施加在平行板电容动极板上的偏置电压共同得到静电反馈力，使平行板电容动极板的位置恢复至初始位置。本发明专利技术对比现有力平衡式闭环方案在成本、加工难度和可靠性上具有显著优势。本、加工难度和可靠性上具有显著优势。本、加工难度和可靠性上具有显著优势。

【技术实现步骤摘要】
一种静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法


[0001]本专利技术属于仪器仪表领域，更具体地，涉及一种静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法。

技术介绍

[0002]MEMS加速度计由于低功耗、小尺寸、成本低的优势目前被广泛应用于消费电子、惯性导航和自动驾驶领域等。随着分辨率的提高，加速度计也逐渐应用在地震监测、重力测量、潮汐监测等领域。
[0003]加速度计通过检验质量将加速度变化转换为位移变化，再将位移变化通过不同的传感方式转换为电信号输出。对于高性能的电容式加速度计通常选用本征频率较低的结构以降低电容检测电路的噪声。加速度计的机械刚度越低、检测质量越大其本征频率越低，为此许多加速计设计制作准零刚度结构，而这种结构受力复杂，位于极低刚度的位移区间较小。开环系统下检测质量偏离平衡位置之后其刚度随即发生变化，输出因此出现非线性，线性量程较小。同时开环下的低本征频率限制了检测的带宽，为了满足扩大量程、拓展带宽、提高线性度的需求，力平衡式的闭环系统成为加速度计的必然选择。
[0004]现有的力平衡式闭环加速度计主要有两种。第一种是基于洛伦兹力的力平衡式闭环MEMS加速度计。其执行机反馈力由磁场中的通电线圈提供，通电线圈加工在检测质量上，磁场由外加的永磁体提供。但永磁体体积较大与MEMS体积小的技术优势相冲突，相互之间难以集成，且永磁体提供的磁场强度易受到温度影响，从而影响闭环加速度计的标度因子线性度。线圈具有一定阻值，在动态工作时会因电流通过而发热，进一步影响其性能。第二种是基于变间距梳齿电容的静电力平衡闭环MEMS加速度计。其主要结构为基于SOI技术设计的两组梳齿电容，一组变面积电容作为传感器、一组变间距电容作为执行机。两组梳齿电容增加了加工工艺难度。此外，基于SOI技术下的器件层较薄减小了梳齿电容极板厚度和弹簧振子结构的质量，使得加速度计噪声较大。基于变间距梳齿电容提供静电力的方式需要考虑拉入效应，恶劣动态环境下的应用范围与场景受到限制。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法，旨在解决现有的基于力平衡式闭环控制的加速度计易受温度影响、精度低、集成度低和成本高的问题。
[0006]为实现上述目的，一方面，本专利技术提供了一种静电力平衡式MEMS加速度计，包括：电容检测电路、偏置电压电源、载波发生器、反馈控制电路和MEMS系统；
[0007]电容检测电路和偏置电压电源的输入端连接MEMS系统的输出端，电容检测电路的输出端连接反馈控制电路的输入端；反馈控制电路的输出端接入MEMS系统；所述载波发生器与反馈控制电路相连；
[0008]MEMS系统包括玻璃上盖、弹簧振子、若干组平行板电容定极板和若干平行板电容
动极板；玻璃上盖靠近弹簧振子侧设置有平行板电容定极板；弹簧振子靠近玻璃上盖的一侧设置有平行板电容动极板；每两个平行板电容定极板作为一组，对应一个平行板电容动极板；平行板电容定极板与平行板电容动极板平行放置，且平行板电容动极板初始放置于两个平行板电容定极板的中间；平行板电容动极板的输出端连接偏置电压电源和电容检测电路；
[0009]弹簧振子用于将外界的加速度信号转换为位移信号；平行板电容动极板用于在弹簧振子的移动下移动，与对应的两个平行板电容定极板对应的面积一个增大一个减小，形成差分电容结构；平行板电容定极板用于在定极板施加信号的作用下，与施加在平行板电容动极板上的偏置电压共同作用得到静电反馈力；所述静电反馈力用于使平行板电容动极板的位置恢复至两个平行板电容定极板的中间；
[0010]电容检测电路用于将调制电流转换为调制电压信号；
[0011]偏置电压电源用于在平行板电容动极板上施加偏置电压；
[0012]载波发生器用于产生载波对差分电容进行调制，输出调制电流信号；反馈控制电路用于将调制电压信号与载波相乘解调后经过低通滤波，PID控制产生反馈控制信号，反馈控制信号与载波信号相加，获取定极板施加信号。
[0013]进一步优选地，反馈控制电路包括乘法器、载波发生器、PID(proportion integral derivative)控制器、LPF(Low Pass Filter)、增益放大器和加法器；
[0014]增益放大器包括第一增益放大器、第二增益放大器、第三增益放大器和第四增益放大器；加法器包括第一加法器和第二加法器；
[0015]乘法器的输入端连接电容检测电路的输出端和载波发生器的第一输出端，其输出端连接LPF的输入端；LPF的输出端连接PID控制器；PID控制器的输出端连接第三增益放大器和第四增益放大器；载波发生器的第二输出端连接第一增益放大器和第二增益放大器；第一增益放大器和第三增益放大器的输出端连接第一加法器；第二增益放大器和第四增益放大器的输出端连接第二加法器；第一加法器和第二加法器分别连接一组平行板电容定极板中的两个平行板电容定极板；
[0016]乘法器用于将电容检测电路输出的电压调制信号与载波相乘解调；LPF用于对解调后的信号进行低通滤波；PID控制器用于对低通滤波后的信号进行PID控制产生反馈控制信号；增益放大器包括第一增益放大器、第二增益放大器、第三增益放大器和第四增益放大器；第一增益放大器用于对载波信号同向放大，第二增益放大器用于对载波信号反向放大；第三增益放大器用于对反馈控制信号同向放大；第四增益放大器用于对反馈控制信号反向放大；加法器包括第一加法器和第二加法器；第一加法器用于将同向放大的载波信号与同向放大的反馈控制信号相加，获取第一定极板施加信号；第二加法器用于将反向放大的载波信号与反向放大的反馈控制信号相加，获取第二平定极板施加信号。
[0017]进一步优选地，变面积平行板电容的制备方法为：
[0018]在玻璃上盖上进行光刻后蒸镀获取平行板电容定极板；在硅片上进行光刻后蒸镀获取平行板电容动极板；通过深硅刻蚀得到自由振动的弹簧振子结构；将玻璃上盖与弹簧振子键合，平行板电容定极板和平行板电容动极板组合得到变面积平行板电容。
[0019]进一步优选地，差分电容为：
[0020][0021]其中，ΔC为差分电容；Δx为敏感方向的位移；n为平行板电容定极板对数；平行板电容动极板和平行板电容定极板的长度相等；l为极板长度；d为平行板电容定极板与平行板电容动极板间距。
[0022]进一步优选地，静电反馈力为：
[0023][0024]其中，V
b
为偏置电压；V
f
为反馈控制信号。
[0025]另一方面，本专利技术提供了一种静电力平衡式MEMS加速度计的闭环控制方法，包括以下步骤：
[0026]采用弹簧振子将外界的加速度信号转换为位移信号；
[0027]平行板电容动极板在弹簧振子的带动下移动，与对应的两个平行板电容定极板对应的面积一个增大一个减小，形成差分电容结构；
[0028]在平行板电容定极板上施加载波，并将差分电容转换本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种静电力平衡式MEMS加速度计，其特征在于，包括：电容检测电路、偏置电压电源、载波发生器、反馈控制电路和MEMS系统；所述电容检测电路和所述偏置电压电源的输入端连接MEMS系统的输出端；所述电容检测电路的输出端连接所述反馈控制电路的输入端；所述反馈控制电路的输出端接入MEMS系统；所述载波发生器与反馈控制电路相连；所述MEMS系统包括玻璃上盖、弹簧振子、若干组平行板电容定极板和若干平行板电容动极板；所述玻璃上盖靠近所述弹簧振子侧设置有平行板电容定极板；所述弹簧振子靠近所述玻璃上盖的一侧设置有平行板电容动极板；每两个平行板电容定极板作为一组，对应一个平行板电容动极板；所述平行板电容定极板与所述平行板电容动极板平行放置，且所述平行板电容动极板初始放置于两个平行板电容定极板的中间；所述平行板电容动极板的输出端连接所述偏置电压电源和所述电容检测电路；所述弹簧振子用于将外界的加速度信号转换为位移信号；所述平行板电容动极板用于在弹簧振子的移动下移动，与对应的两个所述平行板电容定极板的面积一个增大一个减小，形成差分电容结构；所述平行板电容定极板用于在定极板施加信号的作用下，与施加在平行板电容动极板上的偏置电压共同作用得到静电反馈力；所述静电反馈力用于使平行板电容动极板的位置恢复至两个平行板电容定极板的中间；所述电容检测电路用于将调制电流信号转换为调制电压信号；所述偏置电压电源用于在平行板电容动极板上施加偏置电压；载波发生器用于产生载波对差分电容进行调制，输出调制电流信号；反馈控制电路用于将调制电压信号与载波相乘解调后经过低通滤波，PID控制产生反馈控制信号，反馈控制信号与载波信号相加，获取定极板施加信号。2.根据权利要求1所述的静电力平衡式MEMS加速度计，其特征在于，所述反馈控制电路包括乘法器、PID控制器、LPF、增益放大器和加法器；所述增益放大器包括第一增益放大器、第二增益放大器、第三增益放大器和第四增益放大器；加法器包括第一加法器和第二加法器；所述乘法器的输入端连接电容检测电路的输出端和载波发生器的第一输出端，其输出端连接LPF的输入端；所述LPF的输出端连接PID控制器；所述PID控制器的输出端连接第三增益放大器和第四增益放大器；所述载波发生器的第二输出端连接第一增益放大器和第二增益放大器；所述第一增益放大器和第三增益放大器的输出端连接第一加法器；所述第二增益放大器和第四增益放大器的输出端连接第二加法器；所述第一加法器和第二加法器分别连接一组平行板电容定极板中的两个平行板电容定极板；所述乘法器用于将电容检测电路输出的电压调制信号与载波相乘解调；LPF用于对解调后的信号进行低通滤波；PID控制器用于对低通滤波后的信号进行PID控制产生反馈控制信号；所述增益放大器包括第一增益放大器、第二增益放大器、第三增益放大器和第四增益放大器；所述第一增益放大器用于对载波信号同向放大；所述第二增益放大器用于对载波信号反向放大；所述第三增益放大器用于对反...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍文杰，李方正，高乐，蔡冰洋，涂良成，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：