[發明專利]一種微機械加速度計及其校準補償方法

有效

• 申請號: 202110690842.4
• 申請日: 2021-06-22
• 公開（公告）號: CN113406357B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 馬志鵬;金一鳴;金仲和;鄭旭東
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01P21/00
• 分類號: G01P21/00;G01P15/125;B81B7/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發明公開了一種微機械加速度計及其校準補償方法，屬于加速度測量技術領域。可通過雙邊平行板式梳齒電容上施加偏置調諧電壓的方式調節加速度計等效剛度，由于該梳齒電容靜電剛度隨位移變化，該加速度計也可工作在位置閉環狀態。閉環參考位置校準是在調諧電壓上引入一個帶寬外校準信號，對位移等效電壓進行解調濾波，得到位移擾動量，基于此通過反饋環路對參考位置進行補償，直至位移擾動量降為零；等效剛度校準是在閉環參考位置上加入一個帶寬內校準信號，對力平衡反饋控制信號進行解調濾波，得出表征加速度計等效剛度的電壓信號，基于此建立剛度補償閉環可維持加速度計等效剛度恒定不變。本發明有助于檢測和抑制加速度計輸出漂移。

技術領域

本發明屬于加速度測量技術領域，更具體地，涉及一種微機械加速度計及其校準補償方法。

背景技術

通過靜電修調技術，可以降低微機械加速度計的等效剛度，改變微機械加速度計的量程和靈敏度，同時為了提升微機械加速度計的量程和線性度，可以使微機械加速度計同時工作在靜電修調和閉環控制狀態。非對稱式梳齒電容是一種常用于MEMS領域的靜電修調設計，可以用于降低微機械加速度計或陀螺儀的等效剛度實現剛度修調；而非對稱式梳齒電容的吸合電壓和吸合時間也可以用于加速度測量。但采用非對稱式梳齒電容，會改變加速度計的中心位置，引入非對稱性問題。另一方面，微機械加速度計受到溫度影響產生漂移效應，是制約加速度測量精度的關鍵問題之一。目前，主動抑制微機械加速度計輸出漂移的方法大多借助溫度傳感器，但同時增加了微機械加速度計系統的復雜性。

發明內容

針對現有的微機械加速度計上的缺點和不足，本發明提供了一種微機械加速度計及其校準補償方法，利用雙邊平行板式梳齒電容改變微機械加速度計的等效剛度，并將其工作在力平衡閉環狀態，分別對參考位置和等效剛度進行校準和補償閉環，從而主動抑制由溫度變化引起的漂移問題，該校準補償方法更為簡單。

本發明采用的技術方案如下：

一種微機械加速度計，包括加速度敏感單元、靜電剛度單元、位移檢測單元和力平衡單元；

所述的加速度敏感單元包含質量塊和彈性梁結構，所述的質量塊通過彈性梁結構與水平敏感軸方向上的錨區相連；

所述的靜電剛度單元是由雙邊平行板式梳齒電容組成，包括移動梳齒和固定梳齒，所述的移動梳齒與質量塊相連，固定梳齒與錨區相連，所述的移動梳齒與固定梳齒呈中心軸對稱分布，即移動梳齒沿水平敏感軸正負方向與固定梳齒的間隙一致；雙邊平行板式梳齒電容在偏置調諧電壓作用下產生靜電負剛度；

所述的位移檢測單元由一組位移檢測差分變面積電容和相對應的差分電極組成，通過在差分電極上施加幅值相同、符號相反的載波電壓，實現對電容變化信號的載波調制；

所述的力平衡單元由一組力平衡差分變面積電容和相對應的差分電極組成，通過在差分電極上施加力平衡電壓，使得質量塊工作在參考位置上。

一種上述的微機械加速度計的校準控制方法，包括閉環參考位置校準補償方法和等效剛度校準補償方法；

所述的閉環參考位置校準補償方法包括以下步驟：

1.1)選定初始位置作為力平衡反饋參考位置，完成加速度計閉環控制，并在靜電剛度單元上施加調諧電壓V_t；

1.2)在偏置調諧電壓上引入一個頻率為ω_o的帶寬外校準信號；

1.3)質量塊受到水平敏感軸方向上的加速度時會發生位移變化，從而會與位移檢測差分變面積電容之間產生電容變化信號；對電容變化信號依次進行載波解調、校準頻率ω_o解調和低通濾波處理，得到位移擾動量V_s0；