[发明专利]一种微机械加速度计及其校准补偿方法

说明书

本发明公开了一种微机械加速度计及其校准补偿方法，属于加速度测量技术领域。可通过双边平行板式梳齿电容上施加偏置调谐电压的方式调节加速度计等效刚度，由于该梳齿电容静电刚度随位移变化，该加速度计也可工作在位置闭环状态。闭环参考位置校准是在调谐电压上引入一个带宽外校准信号，对位移等效电压进行解调滤波，得到位移扰动量，基于此通过反馈环路对参考位置进行补偿，直至位移扰动量降为零；等效刚度校准是在闭环参考位置上加入一个带宽内校准信号，对力平衡反馈控制信号进行解调滤波，得出表征加速度计等效刚度的电压信号，基于此建立刚度补偿闭环可维持加速度计等效刚度恒定不变。本发明有助于检测和抑制加速度计输出漂移。

技术领域

本发明属于加速度测量技术领域，更具体地，涉及一种微机械加速度计及其校准补偿方法。

背景技术

通过静电修调技术，可以降低微机械加速度计的等效刚度，改变微机械加速度计的量程和灵敏度，同时为了提升微机械加速度计的量程和线性度，可以使微机械加速度计同时工作在静电修调和闭环控制状态。非对称式梳齿电容是一种常用于MEMS领域的静电修调设计，可以用于降低微机械加速度计或陀螺仪的等效刚度实现刚度修调；而非对称式梳齿电容的吸合电压和吸合时间也可以用于加速度测量。但采用非对称式梳齿电容，会改变加速度计的中心位置，引入非对称性问题。另一方面，微机械加速度计受到温度影响产生漂移效应，是制约加速度测量精度的关键问题之一。目前，主动抑制微机械加速度计输出漂移的方法大多借助温度传感器，但同时增加了微机械加速度计系统的复杂性。

发明内容

针对现有的微机械加速度计上的缺点和不足，本发明提供了一种微机械加速度计及其校准补偿方法，利用双边平行板式梳齿电容改变微机械加速度计的等效刚度，并将其工作在力平衡闭环状态，分别对参考位置和等效刚度进行校准和补偿闭环，从而主动抑制由温度变化引起的漂移问题，该校准补偿方法更为简单。

本发明采用的技术方案如下：

一种微机械加速度计，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。

一种上述的微机械加速度计的校准控制方法，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解调和低通滤波处理，得到位移扰动量V_s0；