[发明专利]一种微机械加速度计及其校准补偿方法

权利要求书

1.一种微机械加速度计的校准补偿方法，所述的微机械加速度计包括加速度敏感单元、静电刚度单元、位移检测单元和力平衡单元；

所述的加速度敏感单元包含质量块和弹性梁结构，所述的质量块通过弹性梁结构与水平敏感轴方向上的锚区相连；

所述的静电刚度单元是由双边平行板式梳齿电容(4)组成，包括移动梳齿和固定梳齿，所述的移动梳齿与质量块相连，固定梳齿与锚区相连，所述的移动梳齿与固定梳齿呈中心轴对称分布，即移动梳齿沿水平敏感轴正负方向与固定梳齿的间隙一致；双边平行板式梳齿电容(4)在偏置调谐电压作用下产生静电负刚度；

所述的位移检测单元由一组位移检测差分变面积电容(5)和相对应的差分电极组成，通过在差分电极上施加幅值相同、符号相反的载波电压，实现对电容变化信号的载波调制；

所述的力平衡单元由一组力平衡差分变面积电容(3)和相对应的差分电极组成，通过在差分电极上施加力平衡电压，使得质量块工作在参考位置上；

其特征在于，所述的校准补偿方法包括闭环参考位置校准补偿方法和等效刚度校准补偿方法；

所述的闭环参考位置校准补偿方法包括以下步骤：

1.1)选定初始位置作为力平衡反馈参考位置，完成加速度计闭环控制，并在静电刚度单元上施加调谐电压V_t；

1.2)在偏置调谐电压上引入一个频率为ω_o的带宽外校准信号；

1.3)质量块受到水平敏感轴方向上的加速度时会发生位移变化，从而会与位移检测差分变面积电容之间产生电容变化信号；对电容变化信号依次进行载波解调、校准频率ω_o解调和低通滤波，得到位移扰动量V_s0；

1.4)将扰动量V_s0经过比例、积分和微分运算，得出参考位置补偿控制量ΔV_yref，加至初始参考位置信号V_yref上，更新参考位置信号V′_yref＝V_yref+ΔV_yref，直至位移扰动量降为零，此时双边平行板式梳齿电容处于对称零位；

所述的等效刚度校准补偿方法包括以下步骤：

2.1)在开环控制下，在力平衡差分变面积电容的差分电极上施加固定力平衡电压，使得加速计工作在步骤1.4)校准后的参考位置上；所述的力平衡电压是由力平衡控制信号经推挽电路产生的；

2.2)通过逐步增加调谐电压，直至开环控制下的加速度计出现吸合现象，得到临界吸合电压V_pi；

2.3)重新闭环控制，在闭环参考位置信号V′_yref上加入一个频率为ω_i的带宽内校准信号，并将调谐电压设置为V_t＝αV_pi，α为电压系数；

2.4)对闭环反馈的力平衡控制信号进行校准频率ω_i解调和低通滤波，得到表征等效刚度的电压信号V_kref；

2.5)将电压信号V_kref设定为参考刚度值，建立刚度补偿闭环，具体为是根据步骤2.4)的方法提取表征等效刚度的更新电压信号V’_kref，将V_kref和V’_kref的偏差值经过比例、积分和微分运算，得到调谐电压的补偿量ΔV_t，将其加到初始调谐电压V_t上，从而使得等效刚度值始终维持在参考刚度值上。

2.根据权利要求1所述的微机械加速度计的校准补偿方法，其特征在于，所述的带宽外校准信号和带宽内校准信号为正弦信号或方波信号。

3.根据权利要求1所述的微机械加速度计的校准补偿方法，其特征在于，所述的双边平行板式梳齿电容的等效静电负刚度的表达式为：

V_t＝αV_pi

其中，k_ele为双边平行板式梳齿电容的等效静电负刚度，ε为介电常数，A为固定梳齿和移动梳齿交叠面积，V_t为调谐电压，V_pi为吸合电压，α为电压系数，d₀为双边平行板式梳齿电容中移动梳齿与固定梳齿的初始间隙，y_ref为参考位移，k为加速度计的机械刚度。