[發明專利]一種新型高精度MEMS加速度計

有效

• 申請號: 201610105866.8
• 申請日: 2016-02-25
• 公開（公告）號: CN105759077B
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 薛旭;洪林峰;楊長春;李宗偉;熊興崟;韓可都
• 申請（專利權）人: 中國科學院地質與地球物理研究所
• 主分類號: G01P15/125
• 分類號: G01P15/125
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司11401
• 代理人: 巴曉艷

技術領域

本發明涉及電容式慣性傳感器，特別涉及MEMS(Micro Electro Mechanical System)速度計數字伺服電路。

背景技術

電容式慣性傳感器一般包括加速度傳感器和陀螺儀等慣性傳感器，由這些慣性傳感器實時測量運載體相對于地面運動的加速度等參數，以確定運載體的位置和地球重力場參數，并將被測量的變化轉化為電容的變化。

下面以MEMS(Micro Electro Mechanical System)電容式慣性傳感器為例進行介紹。

隨著MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術的日益成熟，MEMS電容式慣性傳感器由于具有體積小、靈敏度高、直流特性穩定、漂移小、功耗低、溫度系數小等優點被廣泛的運用，然而MEMS電容式慣性傳感器的電容變化小，所以要求MEMS電容式慣性傳感器伺服電路具有精度高，線性度好，動態范圍大等特性。

現有MEMS電容式慣性傳感器伺服電路從結構分為閉環結構和開環結構兩種，從輸出信號分為模擬信號輸出和數字信號輸出。開環結構的電容式慣性傳感器伺服電路在線性度和測量量程以及動態范圍等受到制約；閉環實現方案分為兩種，一種是基于模擬閉環負反饋方案(其中，采用“ADC+DSP+DAC”奈奎斯特采樣率下進行運算仍然屬于類似的方案)，基于模擬閉環負反饋技術的方案在現有的技術文獻中介紹很多，這里不再贅述，模擬閉環負反饋存在的問題如：靜電負剛度問題、動態測量精度問題、溫度穩定性問題、無法實現高精度數字量化問題等等都可以很好的通過基于sigma-delta的數字閉環方案去解決，基于sigma-delta閉環負反饋技術，實現數字化輸出的同時，采用過采樣實現了噪聲整形，此外，采用過采樣深度負反饋技術，使得活動質量塊位移幾乎為零，實現了很好的線性度和良好的動態特性。

以下從sigma-delta modulator MEMS全閉環加速度計技術領域，對現有技術進行分析：

現有技術1：現有MEMS電容式慣性傳感器數字閉環伺服電路被最廣泛運用的結構是單量化器1位反饋sigma-delta調制器(參見圖2)。它包含讀出放大電路，環路濾波器，比較器和1位力反饋控制信號發生器。其中讀出放大電路將電容式慣性傳感器電容的變化轉換為電壓的變化；環路濾波器將讀出放大電路的輸出信號進行處理，實現噪聲的整形和整個閉環回路的穩定；比較器將環路濾波器的輸出信號量化成1位的數字信號輸出，以便于后續處理，同時輸入給1位力反饋控制信號發生器；1位力反饋控制信號發生器產生力反饋控制信號。整個閉環回路實現對MEMS電容式慣性傳感器的檢測，并且數字化輸出。這個結構的MEMS電容式慣性傳感器數字閉環伺服電路存在以下一些缺點：

由于單量化器1位反饋sigma-delta調制器中的環路濾波器是用模擬電路實現的，而環路濾波器對數字閉環伺服電路的穩定性和噪聲整形效果至關重要，所以對環路濾波器的參數精確性和匹配性要求高。然而由于MEMS制造工藝的復雜性和特殊性，MEMS電容式慣性傳感器自身參數的準確性較差，分散性大，往往導致原本匹配好的環路濾波器變的不匹配，輕者導致數字閉環伺服電路性能下降，重者導致數字閉環伺服電路不穩定，無法正常工作；用模擬電路實現的環路濾波器由于集成電路加工的誤差和寄生效應的存在，導致環路濾波器的參數精確性比較差，難于準確控制。

此外，采用全模擬方案無法實現信號的數字處理于補償，無法處理外部干擾信號的影響，如噪聲、溫度等。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種高精度，數字輸出，并具有噪聲抑制能力的高精度MEMS加速度計。

本發明解決上述問題的技術方案是：一種MEMS加速度計，所述MEMS加速度計包括：

MEMS敏感單元，所述MEMS敏感單元用于感受加速度信號，將所述加速度信號轉化為慣性力成為MEMS敏感單元輸出信號；

讀出裝置，所述讀出裝置將所述MEMS敏感單元輸出信號轉化為脈沖產生裝置可識別的輸入信號；

脈沖產生裝置，所述脈沖產生裝置將所述輸入信號進行信號估計、控制算法轉換、數字量化得到量化的比特流信號，所述量化的比特流信號經轉化為靜電力用于平衡所述慣性力。

進一步地，所述脈沖產生裝置包括信號估計單元、控制算法單元、數字量化單元。

進一步地，所述信號估計單元對所述輸入信號進行預處理和真實值估計，并將估計后的信號輸出給所述控制算法單元。