CN101629970A - 用于加速度传感器的误差校正方法和误差校正装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于加速度传感器(1)的误差校正方法，该加速度传感器具有多个电极(A、B、C、D、E、F)和一个振动质量块(4)。该误差校正方法能够以小的费用修正系统误差，它包括下面的步骤：施加电压(V)，以使振动质量块(4)偏移；测量由振动质量块的偏移引起的第一电流(I_A1′)；测量由振动质量块的偏移引起的第二电流(I_B1′)；基于第一电流(I_A1′)和第二电流(I_B1′)求得校正值(K_BA)。

Description

用于加速度传感器的误差校正方法和误差校正装置

技术领域

本发明涉及一种用于加速度传感器的误差校正方法和误差校正装置以及一种具有这样类型的误差校正装置的加速度测量装置。

背景技术

具有多个(至少两个)电极和一个振动质量块的加速度传感器的系统误差还通过在制造中的偏差产生。这样的偏差特别是对于通过MEMS技术制造的微型加速度传感器来说是大的。为了排除这样类型的系统误差和识别与一定参数的相关性，可以与在不同条件下将它们的测量结果与其他加速度传感器的精确的测量结果比较。

但缺点在于，这样的测量结果需要特殊的测量装置并且此外是耗时而且因此是昂贵的。

发明内容

本发明基于这样的任务，提供一种用于加速度传感器的误差校正方法和误差校正装置以及一种具有这样类型的误差校正装置的加速度测量装置，它们使得能够以小的费用修正系统误差。

本发明所基于的任务通过一种误差校正方法、一种误差校正装置以及一种具有这样类型的误差校正装置的加速度测量装置解决。

本发明涉及一种用于加速度传感器的误差校正方法，具有以下步骤：施加一电压，以使振动质量块偏移；测量通过振动质量块的偏移引起的第一电流；测量通过振动质量块的偏移引起的第二电流；基于第一电流和第二电流求得校正值。有利地，该误差校正方法不要求重新构造加速度传感器，因为用于使振动质量块偏移或者用于检测该偏移的合适的电极在加速度传感器中已经存在。但振动质量块的偏移迄今仅用于检验加速度传感器的功能性。

在一优选实施方式中，在第一温度时将电压施加到第一电极上，在对于第二温度测量第二电流之前将该电压再次施加到第一电极上，测量第二电极上的第一电流和第二电流。这样的误差校正方法能够修正由于温度波动引起的系统误差。

在该优选实施方式的扩展构造中，该方法包含下面的另外的步骤：在第三温度时在第三电极上施加另一电压，以使振动质量块偏移；测量第四电极上的由于振动质量块偏移引起的第三电流；在第四温度时将该另一电压施加到第三电极上，以使振动质量块偏移；测量第四电极上的由于振动质量块偏移引起的第四电流；基于第三电流和第四电流求得另一修正量。第一温度可以与第三温度一样；第二温度可以与第四温度一样，或者相反。这种方法使得能够校正可测量两个不同方向上的加速度的加速度传感器的系统误差。

在该优选实施方式的又一扩展构造中，该方法包含下面的另外的步骤：在第五温度时施加又一电压到第五电极上，以使振动质量块偏移；测量第六电极上的通过振动质量块偏移引起的第五电流；在第六温度时将该又一电压施加到第三电极上，以使振动质量块偏移；测量第六电极上的通过振动质量块偏移引起的第六电流；基于第五电流和第六电流求得又一校正值。第一温度可以与第五温度一样；第二温度可以与第六温度一样，或者相反。这种方法使得能够校正可测量三个不同方向上的加速度的加速度传感器的系统误差。

在一优选实施方式中，在第一电极上施加电压，测量第二电极上的第一电流，测量第三电极上的第二电流，该校正值是第一校正值，该第一校正值考虑第二电流与第一电流的相关性。这样的误差校正方法适合于能测量两个不同方向上的加速度的加速度传感器。这些系统误差基于：一个方向上的加速度无意地导致对另一方向上的加速度的检测(串扰)。

在该优选实施方式的另一扩展构造中，测量第四电极上的第三电流，求得第二校正值，该第二校正值考虑第三电流与第一电流的相关性。这样的误差校正方法适合于能测量三个不同方向上的加速度的加速度传感器。

在该优选实施方式的又一扩展构造中，将另一电压施加到第五电极上，测量第二电极上的第四电流，测量第三电极上的第五电流，测量第四电极上的第六电流，求得第三校正值，该第三校正值考虑第五电流与第四电流的相关性，并且求得第四校正值，该第四校正值考虑第六电流与第四电流的相关性。可以校正基于另一方向上的加速度无意地导致对另外两个方向上的加速度的检测的系统误差。

在该优选实施方式的又一扩展构造中，在第六电极上施加另一电压，测量第二电极上的第七电流，测量第三电极上的第八电流，并且测量第四电极上的第九电流，求得第五校正值，该第五校正值考虑第八电流与第七电流的相关性，并且求得第六校正值，该第六校正值考虑第九电流与第七电流的相关性。可以校正基于又一方向上的加速度无意地导致对另外两个方向上的加速度的检测的系统误差。

本发明此外涉及一种用于加速度传感器的误差校正装置，具有下面的机构：用于施加电压的机构，以使振动质量块偏移；用于测量第一电流的机构，该电流由于振动质量块的偏移而引起；用于测量第二电流的机构，该电流通过振动质量块的偏移而引起；以及用于基于第一电流和第二电流求得校正值的机构。

本发明还涉及一种具有这种误差校正装置的加速度传感器测量装置。

附图说明

下面参考附图详细描述本发明。附图示出：

图1  一种加速度测量装置的示意图；

图2  一种误差校正方法的第一实施方式的流程图；以及

图3  一种误差校正方法的第二实施方式的流程图。

具体实施方式

图1示出一加速度测量装置的示意图。该加速度测量装置包括加速度传感器1、误差校正装置2、温度测量装置3、输入端子10和输出端子11。加速度传感器1、误差校正装置2和温度测量装置3集成在一个芯片上。该加速度传感器1包括多个电极A、B、C、D、E和F以及一个振动质量块4。该振动质量块如此悬挂在弹簧上，使得它在每个方向是可运动的。这些电极形成电极对A和C、B和D、F和E。在电极C、D和E上通过供电导线各施加一个附加的电压。在电极A、B和F上可以各测量一个电流，该电流流过从属的供电导线。加速度传感器1的其他供电导线出于简化原因没有被示出。电极A、B、C和D安置在振动质量块4的侧面。构成一对的电极A和C或B和D分别安置在振动质量块4的相对置的侧。两个电极F和E安置在振动质量块4下面。一对电极总是垂直于另一对电极安置。误差校正装置2包括控制机构5、求值机构6、存储机构7、电压输出机构8和电流测量机构9。加速度传感器1、误差校正装置2和温度传感器3由电源V₀供给电流。

图2示出误差校正方法的第一实施方式的流程图。该方法用于消除基于温度变化的系统测量误差。出发点是，该系统测量误差与温度线性相关。首先将加速度测量装置置于具有第一温度T₁的氛围中。一直等到可以认为已产生均匀的温度T₁。将加速度测量装置激活，其中，在全部电极A、B、C、D、E和F上施加第一电位并且在振动质量块上施加第二电位。然后通过输入端子10输入开始信号。温度T₁通过温度传感器3测量，温度T₁被输送给控制机构5并且从该控制机构继续传送给存储机构7，在该存储机构中存储温度T₁。控制机构5接着指使从属的电压输出机构8将具有电压值V的附加电压施加到第一电极C上(步骤S1)。该电压值V同样被输送给存储机构7并且在那里被存储。通过该附加电压使振动质量块4偏移。振动质量块4和电极A之间的电容变化，电流I_A1在电极A上流过，这意味着，从电极A或者到电极A。该电流通过相应的电流测量机构9测量(步骤S2)。电流测量的结果被输送到存储机构7。分别对电极对B和D、F和E实施类似的测量和存储过程(步骤S3、S4、S5和S6)。在此，测量电极B上的电流I_B1和电极F上的电流I_F1。现在将氛围置于第二温度T₂。一直等到可以认为已产生均匀的温度T₂。通过输入端子10再次输入开始信号。现在在温度值T₂实施相同的测量和存储过程(步骤S7至S12)。在此测量电极A上的电流I_A2、电极B上的电流I_B2和电极F上的电流I_F2。将所存储的电流值输送到求值机构6。将这些电流关于时间积分，以便计算在电流I₄₁、I_A2、I_B1、I_B2、I_F1或者I_F2时流过的电荷Q_A1、Q_A2、Q_B1、Q_B2、Q_F1和Q_F2。替换地，也可以先前已经计算过流过的电荷并在存储机构7中存储Q_A1、Q_A2、Q_B1、Q_B2、Q_F1和Q_F2。现在可以对于每个电极i＝A、B、F计算电荷变化系数K_i＝(Q_i2-Q_i1)/(T₂-T₁)，这些电荷变化系数说明所计算的电荷随温度的变化。计算出的电荷变化系数又被存储在存储机构7中。对于未来在温度T时的加速度测量，加速度测量装置能够对每个电极i＝A、B、F如下计算校正后的电荷值的Q_kor：

Q_ikor＝Q_i-K_i·(T-T₁)

校正后的电荷值对于加速度是标志性的并且与温度不相关。加速度测量装置在输出端子11上输出校正后的电荷值Q_ikor取代测量的电荷值Q_i。替换地，加速度传感器也可以作为测量结果对不同于流过的电荷的其它值进行求值和/或输出。这些值可以被类似地修正。也可以作为温度的函数计算出更精确的校正系数。

图3示出误差校正方法的第二实施方式的流程图。该方法用于消除基于不希望的信号相依(串扰)的系统测量误差。出发点是，一个方向上的用于加速度测量的每个传感器信号的系统误差总是与另两个方向上的传感器信号成比例。首先将加速度测量装置激活，其中，在全部电极A、B、C、D、E和F上施加第一电位并且在振动质量块上施加第二电位。然后通过输入端子10输入开始信号。然后控制机构5指使从属的电压输出机构8施加具有电压值V的附加电压到电极C上(步骤S1′)，以使质量块4偏移。如希望的那样，振动质量块4和电极A之间的电容改变。但附加地，如不希望的那样，振动质量块4与电极B和F之间的电容也改变。电流I_A1′、I_B1′和I_F1′在电极A、B或者F上流过，这些电流分别通过相应的电流测量机构9测量(步骤S2′)。电流的测量值被输送给求值机构6并且被对时间积分，使得对于电流I_A1′、I_B1′或者I_F1′得到流过的电荷Q_A1′、Q_B1′和Q_F1′。然后求值机构计算系数K_BA和K_FA，对此有：Q_B1′＝K_BA·Q_A1′、Q_F1′＝K_FA·Q_A1′。系数K_BA和K_FA被输送给存储机构7并且在那里被存储。分别对于电极B和F实施类似的测量和存储过程(步骤S4′至S9′)。当电压V施加到电极D上时，对于电极A、B和F上的电流I_A2′、I_B2′或者I_F2′得到流过的电荷Q_A2′、Q_B2′和Q_F2′并得到系数K_AB和K_FB，对此有：Q_A2′＝K_AB·Q_B2′、Q_F2′＝K_FB·Q_B2′。当电压V施加到电极E上时，对于电极A、B和F上的电流I_A3′、I_B3′或者I_F3′得到流过的电荷Q_A3′、Q_B3′和Q_F3′并得到系数K_AF和K_BF，对此有：Q_A3′＝K_AF·Q_F3′、Q_B3′＝K_BF·Q_F3′。对于将来的加速度测量，该加速度测量装置这时可以对于每个电极i如下计算校正后的电荷值Q_ikor：

$\left(\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{Akor}}\\ Q_{\mathrm{Bkor}}\\ Q_{\mathrm{Fkor}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& -K_{\mathrm{AB}}& {-K}_{\mathrm{AF}}\\ -K_{\mathrm{BA}}& 1& -K_{\mathrm{BF}}\\ {-K}_{\mathrm{FA}}& -K_{\mathrm{FB}}& 1\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}{Q}_A\\ Q_B\\ Q_F\end{array}\right)$

校正后的电荷值对于加速度是标志性的并且只与一个方向上的加速度相关。加速度测量装置在输出端子11上输出校正后的电荷值Q_ikor取代测量的电荷值Q_i。替换地，加速度传感器也可以作为测量结果输出不同于流过的电荷的其它值。这些值能够被类似地修正。误差校正方法的第一实施方式可以与第二实施方式组合。

附图标记

1                      加速度传感器

2                      误差校正装置

3                      温度测量装置

4                      振动质量块

5                      控制机构

6                      求值机构

7                      存储机构

8                      电压输出机构

9                      电流测量机构

10                     输入端子

11                     输出端子

S1至S13                方法步骤

S1′至S9′             方法步骤

A、B、C、D、E、F       电极

V                      电压

V₀                     电源

I_A1、I_B1、I_F1          电流

I_A2、I_B2、I_F2          电流

I_A1′、I_B1′、I_F1′    电流

I_A2′、I_B2′、I_F2′    电流

I_A3′、I_B3′、I_F3′    电流

Q_A1、Q_B1、Q_F1          流过的电荷

Q_A2、Q_B2、Q_F2          流过的电荷

Q_A1′、Q_B1′和Q_F1′    流过的电荷

Q_A2′、Q_B2′和Q_F2′    流过的电荷

Q_A3′、Q_B3′和Q_F3′    流过的电荷

K₁、K₂、K₃    系数

K_AB至K_FB      系数

T₁、T₂        温度

Claims (10)

1、用于加速度传感器(1)的误差校正方法，该加速度传感器具有多个电极(A、B、C、D、E、F)和一个振动质量块(4)，其特征在于下面的步骤：

施加电压(V)，以使振动质量块(4)偏移；

测量由振动质量块(4)的偏移引起的第一电流(I_A1，I_A1′)；

测量由振动质量块(4)的偏移引起的第二电流(I_A2，I_B1′)；以及

基于第一电流(I_A1，I_A1′)和第二电流(I_A2，I_B1′)求得校正值(K_A，K_BA)。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于，在第一温度(T₁)时将该电压(V)施加到第一电极(C)上，当在第二温度(T₂)时测量第二电流(I_A2)之前，再次将该电压(V)施加到第一电极(C)上，测量第二电极上的第一电流(I_A1)和第二电流(I_A2)。

3、根据权利要求2的方法，其特征在于下面的另外的步骤：

在第三温度(T₁)时将另一电压(V)施加到第三电极(D)上，以使振动质量块(4)偏移；

测量第四电极(B)上的由振动质量块(4)的偏移引起的第三电流(I_B1)；

在第四温度(T₂)时将该另一电压(V)施加到第三电极(D)上，以使振动质量块(4)偏移；

测量第四电极(B)上的由振动质量块(4)的偏移引起的第四电流(I_B2)；和

基于第三电流(I_B1)和第四电流(I_B2)求得另一校正值(K_B)。

4、根据权利要求3的方法，其特征在于下面的另外的步骤：

在第五温度(T₁)时将又一电压(V)施加到第五电极上，以使振动质量块(4)偏移；

测量第六电极(F)上的由振动质量块(4)的偏移引起的第五电流(I_F1)；

在第六温度(T₂)是将该又一电压(V)施加到第三电极上，以使振动质量块(4)偏移；

测量第六电极(F)上的由振动质量块(4)的偏移引起的第六电流(I_F2)；

基于第五电流(I_F1)和第六电流(I_F2)求得又一校正值(K_F)。

5、根据权利要求1的方法，其特征在于，在第一电极(C)上施加电压(V)，测量第二电极(A)上的第一电流(I_A1′)，测量第三电极(B)上的第二电流(I_B1′)，该校正值(K_BA)是第一校正值，该第一校正值考虑第二电流(I_B1′)与第一电流(I_A1′)的相关性。

6、根据权利要求5的方法，其特征在于，测量第四电极(F)上的第三电流(I_F1′)，求得第二校正值(K_FA)，该第二校正值考虑第三电流(I_F1′)与第一电流(I_A1′)的相关性。

7、根据权利要求5或6的方法，其特征在于，在第五电极(D)上施加另一电压(V)，测量第二电极上的第四电流(I_A2′)，测量第三电极(B)上的第五电流(I_B2′)，测量第四电极(F)上的第六电流(I_F2′)，求得第三校正值(K_AB)，该第三校正值考虑第五电流(I_B2′)与第四电流(I_A2′)的相关性，并且求得第四校正值(K_FB)，该第四校正值考虑第六电流(I_F2′)与第四电流(I_A2′)的相关性。

8、根据权利要求5或6的方法，其特征在于，在第六电极(E)上施加又一电压(V)，测量第二电极(A)上的第七电流(I_A3′)，测量第三电极(B)上的第八电流(I_B3′)，测量第四电极(F)上的第九电流(I_F3′)，求得第五校正值(K_AF)，该第五校正值考虑第八电流(I_B3′)与第七电流(I_A3′)的相关性，并且求得第六校正值(K_BF)，该第六校正值考虑第九电流(I_F3′)与第七电流(I_A3′)的相关性。

9、用于加速度传感器(1)的误差校正装置，该加速度传感器具有多个电极(A、B、C、D、E、F)和一个振动质量块(4)，其特征在于下面的机构：

用于施加电压(V)的机构(8)，以使振动质量块(4)偏移；

用于测量由振动质量块(4)的偏移引起的第一电流(I_A1，I_A1′)的机构(9)；

用于测量由振动质量块(4)的偏移引起的第二电流(I_A2，I_B1′)的机构(9)；以及

用于基于第一电流(I_A1，I_A1′)和第二电流(I_A2，I_B1′)求得校正值(K_A，K_BA)的机构(6)。

10、加速度测量装置，具有一根据权利要求9的误差校正装置。

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