[发明专利]一种可抑制声波干扰的MEMS加速度计及其抑制方法

说明书

本发明涉及一种可抑制声波干扰的MEMS加速度计及其抑制方法，属于MEMS传感器防护技术领域。所述可抑制声波干扰的MEMS加速度计，包括传感器、交流放大器、解调器、1号低通滤波器、输出放大器及2号低通滤波器。所述抑制方法，包括：传感器输出的电压信号通过一个交流放大器放大，得到交流放大后的信号；交流放大号的信号再通过解调器进行解调，得到解调后的信号；解调后的信号通过一个低通滤波器滤波，滤除信号中的高频声波干扰信号，得到第一次低通滤波后的信号；第一次低通滤波后的信号再通过一个输出放大器放大，得到输出放大后的信号；输出放大后的信号再通过一个低通滤波器滤波，就能得到不含声波干扰信号的正确加速度信号。

技术领域

本发明具体涉及一种可抑制声波干扰的MEMS加速度计及其抑制方法，属于MEMS传感器防护技术领域。

背景技术

MEMS加速度计是MEMS传感器中应用最成熟和最广泛的器件之一，以成本低、体积小、功耗低等一系列显著优点在诸多领域中得到广泛应用。大到军事国防工业，小到民生电子医疗，MEMS加速度计都扮演着重要的角色。

MEMS加速度计的机械结构可以简化为一个弹簧-质量块-阻尼的系统，这种机械结构存在一定的谐振频率，在实际应用中已经被证实很容易受到谐振频率附近的声波干扰。当谐振频率附近的声波干扰作用于MEMS加速度计上时，会引起MEMS加速度计内部的质量块共振，使其偏离正常位置，产生不符合实际的错误输出。而这种错误输出可能会导致无人机坠毁、机器人失去平衡、汽车驾驶失控等一系列严重后果。因此，采取一定的措施来抑制声波干扰是非常必要的。

目前，已知的抑制方法主要有三种：

第一种方法是在MEMS加速度计表面涂覆一些吸声材料，从物理上隔绝声波。这种方法虽然能在一定程度上降低声波给加速度计带来的影响，但是这些吸声材料的尺寸通常在厘米量级，会大大增加MEMS加速度计的封装体积，不利于器件的集成；而且吸声材料的价格也较为昂贵，会提高MEMS加速度计的制造成本。

第二种方法是改善MEMS加速度计的硬件结构，即调整机械系统的阻尼比。机械系统的阻尼比参数决定了MEMS加速度计机械系统的瞬态响应特性，机械系统的阻尼比越大，其发生共振时的位移响应幅值就越小。利用这一特性，可以适当调大MEMS加速计机械系统的阻尼比，使其处于临界阻尼状态(阻尼比＝1)。此时，MEMS加速度计对声波干扰的响应较小，也拥有较好的综合性能状态。但这种方法是以牺牲MEMS加速度计的响应速度和灵敏度为代价的，对于高精度的MEMS加速度计并不适用。

第三种方法是利用软件迭代算法来进行主动防御。这种方法通过采集MEMS加速计的最终输出，通过后续的软件迭代算法来补偿加速度计的错误输出。但这种方法目前尚处于理论阶段，抑制效果还是未知。

外界加速度作用于MEMS加速度计上，会使加速度计内部的质量块产生位移，改变质量块上可动电极与固定电极之间的间距，从而改变可变电容的电容值，再通过外围电容—电压转换电路，将电容变化量转变为电压信号输出。传感器所输出的包含加速度信息的电压信号，最后经过一个后续信号处理电路处理即可得到某一个方向的加速度值。本发明与传统MEMS加速度计的信号处理电路不同，传统信号处理电路包括交流放大器、解调器、输出放大器以及低通滤波器。MEMS加速度计之所以会受到谐振频率附近的声波干扰，主要是由于输出放大器的硬件缺陷导致的。谐振频率附近的声波干扰会引起MEMS加速度计内部的质量块发生共振，共振的幅度与声波的强度成正比。当声波的强度增大时，质量块振动的幅度也增大，电容的改变量越大，传感器产生的电压信号的幅度也随之增大。但信号处理电路中，输出放大器的动态范围是有限的。当声波的强度足够大时，电压信号的幅度就会超出放大器的动态范围，产生非对称截止失真，最后通过低通滤波器后输出的加速度值就会偏离正常值。根据上述干扰机制，本发明提出了一种可抑制声波干扰的MEMS加速度计及其抑制方法。

发明内容