CN103472262A - 量程可调式mems加速度计的参数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种量程可调式MEMS加速度计的参数标定方法，用于对由敏感结构和包括两个补偿电容的ASIC电路组成的MEMS加速度计进行标度因数以及补偿电容的标定，其利用加速度计敏感结构的电容变化与输入加速度间的线性关系，分别在加速度为-0g、0g、-1g和1g的四个状态时采集数据，并拟合出补偿电容与相关参数的二阶曲线关系，从而预测期望参数所对应的一系列外部电容值，达到参数标定的目的。本发明的自动标定方案使得实际参数与目标参数之间偏离降至最低，解决了人工标定效率低、精度差的问题，该方法尤其适合商业化的批量生产，其标定速度快、精度高、可操作性强，误差小，可以推广至绝大多数采用通用电容读取芯片的加速度计的参数标定。

Description

量程可调式MEMS加速度计的参数标定方法

技术领域

本发明涉及一种加速度计的参数标定方法。

背景技术

由于MEMS工艺限制，生产的加速度计个体间，结构均存在不同程度偏差，在交付用户之前需要对其标定零位偏置、标度因数等相关参数，以确保量程、测量精度等符合用户需求。目前对于量程可调式MEMS加速度计来说，只存在一些的参数辨识方案，如《加速度计的六位置标定》和专利《正交双高精度加速度计的标定方法》等，其主要目的只是对加速度计的零位偏置、标度因数、误差等系数等进行辨识，而不是对其进行更改和设置，故尚无高精度、高效率的加速度计自动标定方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够高效率、高精度地对量程可调式的MEMS加速度计进行参数标定的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种量程可调式MEMS加速度计的参数标定方法，用于对由敏感结构和包括两个补偿电容的ASIC电路组成的MEMS加速度计进行标度因数以及补偿电容的标定，其包括

（1）分别在所述的加速度计的输入加速度为1g和-1g时，采集所述的加速度计在所述的ASIC电路的一组特定增益下的一组输出，所述的特定增益由一可变电容控制，即采集所述的加速度计在所述的可变电容的一组电容值下的一组输出；

根据所获得的所述的加速度计的两组输出得到所述的加速度计在一组所述的电容值下的一组标度因数，且得到由所述的标度因数和所述的电容值对应构成的一组数据对；

根据一组所述的数据对以及所述的标度因数和所述的电容值所满足的二阶模型进行拟合，获得所述的二阶模型中的系数，从而确定所述的标度因数和所述的电容值之间的曲线关系式；

假设所期望的标度因数并将其带入所述的标度因数和所述的电容值之间的曲线关系式中，求解得到所述的可变电容的电容值的有效根，据此可变电容的电容值的有效根而完成所述的标度因数的标定；

（2）分别在所述的加速度计的输入加速度为0g和-0g时，取若干组两个所述的补偿电容的取值组合，采集所述的加速度计在若干组补偿电容的取值组合下的一组输出；

根据所述的ASIC电路的传递函数以及所获得的所述的加速度计的两组输出得到两个所述的加速度计分别在输入加速度为0g和-0g时的输出电容差，并对两个在输入加速度为0g和-0g时的输出电容差求平均值而得到所述的加速度计的输出电容差；

令所述的ASIC电路的传递函数中加速度计的输出为0并根据和所述的加速度计的输出电容差求得两个所述的补偿电容的电容值的关系，再分别令一个所述的补偿电容的电容值为0时求解另一个所述的补偿电容的电容值，从而完成所述的补偿电容的标定。

所述的步骤（1）中，所述的可变电容的一组电容值在所述的可变电容的变化范围内，以一固定间隔取值而获得。

所述的步骤（1）中，所述的加速度计的输入加速度分别为1g和-1g即使待标定的所述的加速度计的输入轴方向向量与1g或-1g重力场方向向量平行且同向；所述的步骤（2）中，所述的加速度计的输入加速度分别为0g和-0g即使待标定的所述的加速度计的输入轴方向向量与0g或-0g重力场方向向量平行且同向。

所述的步骤（1）中，根据所获得的所述的加速度计的两组输出得到所述的加速度计在一组所述的电容值下的一组标度因数时，所述的标度因数与所述的加速度计的输出之间的关系满足：

其中，SF为所述的标度因数，Vout_1g为所述的加速度计在输入加速度为1g时的输出，Vout_-1g为所述的加速度计在输入加速度为-1g时的输出。

所述的步骤（1）中，所述的标度因数和所述的电容值所满足的二阶模型为

其中，SF为所述的标度因数，α₀、α₁、α₂为所述的系数，CF为所述的电容值。

所述的步骤（1）中，采用最小二乘法拟合获得所述的二阶模型中的系数。

所述的步骤（1）中，将所期望的标度因数带入所述的标度因数和所述的电容值之间的曲线关系式中求解时，得到两个所述的可变电容的电容值的根，则落入所述的可变电容的变化范围内的根为所述的可变电容的电容值的有效根。

所述的步骤（2）中，所述的ASIC电路的传递函数为：

$\mathrm{Vout}={\mathrm{\β}}_0+{\mathrm{\β}}_1\frac{({\mathrm{CS}}_2-{\mathrm{CS}}_1)+({\mathrm{CSIN}}_2-{\mathrm{CSIN}}_1)}{\mathrm{CF}},$ 其中，Vout为所述的ASIC电路的输出，β₀、β₁为所述的加速度计的已知相关参数，CF为所述的步骤（1）中求解得到的所述的可变电容的电容值的有效根，CSIN₂-CSIN₁为由所述的加速度计的敏感结构决定的输出电容差，CS₂、CS₁为两个所述的补偿电容的取值。

实现上述方法的硬件系统包括写入控制程序的上位机、与所述的加速度计相连接并在所述的上位机的控制下向所述的加速度计中设置参数和采集所述的加速度计的输出的数据采集卡、与所述的上位机相连接并在所述的上位机的控制下使所述的加速度计处于不同的重力场中的程控分度台。

所述的硬件系统实现所述的方法的流程为：启动所述的硬件系统并进行自检，自检成功后依次对待标定的所述的加速度计在输入加速度为1g和-1g时采集其输出，根据所采集到的输出以及期望的标度因数计算所述的加速度计中可变电容的电容值的有效根；在获得所述的加速度计中可变电容的电容值的有效根后，依次对待标定的所述的加速度计在输入加速度为0g和-0g时采集其输出，根据所采集到的输出计算两个所述的补偿电容的电容值；若两个所述的补偿电容的电容值合法，则将两个所述的补偿电容的电容值以及所述的可变电容的电容值的有效根写入加速度计中的参数控制存储器中。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明提供了一种量程可调式MEMS加速度计的自动标定方案，利用加速度计内部ASIC电路的可调电容，使得实际参数（如标度因子、零位偏置等）与目标参数之间偏离降至最低，解决了人工标定效率低、精度差的问题，该方法尤其适合商业化的批量生产，其标定速度快、精度高、可操作性强，误差小，可以推广至绝大多数采用通用电容读取芯片的加速度计的参数标定。

附图说明

附图1为量程可调式MEMS加速度计的结构示意图。

附图2为实现本发明的参数标定方法的硬件系统的结构图。

附图3为实现本发明的参数标定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：电容式MEMS（Micro Electro Mechanical System，微机电系统）加速度计通常由两部分组成：敏感结构与ASIC（Application Specific IC）电路。敏感结构检测输入的加速度并转换为电容差输出，ASIC电路通常为微小电容读取电路，其将敏感结构输出的电容值转化为电压信号输出。由于敏感结构加工过程中存在热应力，从而造成个体间结构存在一定的差异，在未经外部ASIC电路补偿前其零位输出和标度因数等均与用户需求有所偏差，加速度计的标定正是通过ASIC电路对敏感结构输出进行补偿与设置，以满足特定的量程和测量精度，因此加速度计参数标定是其生产过程中非常重要的环节。加速度计内部敏感结构通常采用差分式输出，其与ASIC电路的连接电路通常采用如附图1所示的方式。其中，敏感结构中包含两个容值可变的输入电容CS1IN和CS2IN，而ASIC电路中则包含运算放大器、低通滤波器，运算放大器前端连接有两个补偿电容CS1和CS2，并且ASIC电路中还包含控制其参数的参数控制EEPROM。

一种对上述量程可调式MEMS加速度计的标度因数以及补偿电容进行参数标定的方法，简单地说，其利用加速度计敏感结构的电容变化与输入加速度间的线性关系，分别在加速度为-0g、0g、-1g和1g的四个状态时采集数据，并拟合出补偿电容与相关参数的二阶曲线关系，从而预测期望参数所对应的一系列外部电容值，达到参数标定的目的。

标定过程的实施步骤如下：

（1）标度因数的标定

①分别在加速度计的输入加速度为1g和-1g时，采集加速度计在ASIC电路的一组特定增益下的一组输出，特定增益由一可变电容控制，即采集加速度计在可变电容的一组电容值下的一组输出。

具体地说，首先使待标定的加速度计的输入轴方向向量与1g重力场方向向量平行且同向，更改ASIC电路的CV（capacitance to voltage）增益，采集一组特定增益下的加计输出。

CV增益通常由一个可变电容控制，记为CF，在CF的变化范围内以固定间隔取一组（n个）CF值，得到如下矩阵：

CF=[CF₀  CF₁  …  CF_n]

在CF取不同值时得到对应的一组加速度计输出Vout_1g：

Vout_1g=[V₀  V₁  …  V_n]

然后使待标定加速度计输入轴方向向量与-1g重力场方向向量平行且同向，重复上述在CF取不同值时得到对应的加速度计输出的动作，得到第二组加速度计输出Vout_-1g：

Vout_-1g=[V₀  V₁  …  V_n]

②根据所获得的加速度计的两组输出得到加速度计在一组电容值下的一组标度因数，且得到由标度因数和电容值对应构成的一组数据对。

具体的，标度因数与加速度计的输出之间的关系满足：

$\mathrm{SF}=\frac{{\mathrm{Vout}}_{1g}-{\mathrm{Vout}}_{-1g}}{2},$

其中，SF为标度因数，Vout_1g为加速度计在输入加速度为1g时的输出，Vout_-1g为加速度计在输入加速度为-1g时的输出。

因此，得到不同CV增益下的对应的标度因数SF（Scale Factor）：

SF=[SF₀  SF₁  …  SF_n]

这样就得到了一组有序数据对：

D={(SF_i,CF_i)|i∈(0,n)}

③根据上述一组数据对以及标度因数和电容值所满足的二阶模型进行拟合，获得二阶模型中的系数，从而确定标度因数和电容值之间的曲线关系式。

具体的，通常CF与SF的关系满足如下一阶线性模型：

$\mathrm{SF}={\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_1\frac{1}{\mathrm{CF}}$

考虑到测量误差、器件非线性及其它因素，在此引入一个二阶项，以提高模型与实际测试的匹配度，提高预测精度，因此模型如下：

$\mathrm{SF}=a_0+a_1\frac{1}{\mathrm{CF}}+a_2\frac{1}{{\mathrm{CF}}^2}---\left(1\right)$

其中，α₀、α₁、α₂为系数。

根据数据对D，以上述二阶多项式为模型，利用最小二乘法进行数据拟合，求得三个未知系数α₀、α₁、α₂。这样就确定了标度因数SF与可变电容CF间的曲线关系。

④假设所期望的标度因数并将其带入标度因数和电容值之间的曲线关系式中，求解得到可变电容的电容值的有效根，据此可变电容的电容值的有效根而完成标度因数的标定。

具体的，假设期望的标度因数为SF_ideal，将该值带入（1）式中，求解二元一次方程，得到两个根CF₁和CF₂，则落入可变电容CF的变化范围的根为有效根。若两根均超出变化范围，则期望的标度因数过高或者过低，这是由器件所决定的，无法进一步进行标定。至此标度因数标定完毕。

（2）补偿电容的标定

①分别在加速度计的输入加速度为0g和-0g时，取若干组两个补偿电容的取值组合，采集加速度计在若干组补偿电容的取值组合下的一组输出。

具体的，使待标定加速度计输入轴方向向量与0g重力场方向向量平行且同向，取补偿电容CS₁和CS₂为如下组合关系：

CS1	0	C1	C2	C3	......	0	0	0	......
										CS2	0	0	0	0	......	C1	C2	C3	......

其中C1、C2等为固定值。每次取一列固定组合，测量此时加速度计的一组输出，得到

Vout_0g=[V₀  V₁…  V_n]

使待标定加速度计输入轴方向向量与-0g重力场方向向量平行且同向，同样取补偿电容CS₁和CS₂为上述组合，测量得到加速度计的第二组输出为

Vout_-0g=[V₀  V₁…  V_n]

②根据ASIC电路的传递函数以及所获得的加速度计的两组输出得到两个加速度计分别在输入加速度为0g和-0g时的输出电容差，并对两个在输入加速度为0g和-0g时的输出电容差求平均值而得到加速度计的输出电容差。

具体的，通常ASIC电路传递函数如下：

$\mathrm{Vout}={\mathrm{\β}}_0+{\mathrm{\β}}_1\frac{({\mathrm{CS}}_2-{\mathrm{CS}}_1)+({\mathrm{CSIN}}_2-{\mathrm{CSIN}}_1)}{\mathrm{CF}},$

其中，Vout为ASIC电路的输出，即加速度计的输出，β₀、β₁为加速度计的已知相关参数，CF为步骤（1）中求解得到的可变电容的电容值的有效根，记ΔC=CSIN₂-CSIN₁为由加速度计的敏感结构决定的输出电容差，在重复性好的敏感结构中，输入相同的加速度值得到的ΔC不变，CS₂、CS₁为两个补偿电容的取值。

利用Vout_0g和Vout_-0g可分别求得加速度计在0g和-0g时的电容差ΔC₁和ΔC₂，求平均值得到加速度计的敏感结构决定的输出电容差ΔC。

③令ASIC电路的传递函数中加速度计的输出为0并根据和加速度计的输出电容差求得两个补偿电容的电容值的关系，再分别令一个补偿电容的电容值为0时求解另一个补偿电容的电容值，从而完成补偿电容的标定。

具体的，令Vout＝0，则可求得需要进行补偿的电容：

${\mathrm{CS}}_2-{\mathrm{CS}}_1=-\frac{{\mathrm{\β}}_0}{{\mathrm{\β}}_1}\×\mathrm{CF}-\mathrm{\ΔC}---\left(3\right)$

由于CS₂和CS₁只能取正值，所以当（3）式右边值大于零时，令CS₁=0，则

${\mathrm{CS}}_2=-\frac{{\mathrm{\β}}_0}{{\mathrm{\β}}_1}\×\mathrm{CF}-\mathrm{\ΔC}$

当（3）式等式右边值小于零时，令CS₂=0，则

${\mathrm{CS}}_1=\frac{{\mathrm{\β}}_0}{{\mathrm{\β}}_1}\×\mathrm{CF}+\mathrm{\ΔC}$

由此完成补偿电容的标定。至此标定过程完成。

如附图2所示，实现上述方法的硬件系统包括写入控制程序的上位机、与加速度计相连接并在上位机的控制下向加速度计中设置参数和采集加速度计的输出的数据采集卡、与上位机相连接并在上位机的控制下使加速度计处于不同的重力场中的程控分度台。

其中上位机采用普通PC机，使用LabView编写上位机程序。数据采集卡需要同时拥有模拟和数字采集通道，主要负责与加速度计的ASIC电路进行通信（设置电容值，如CF、CS等）和采集加速度计的输出。

参见附图3所示，硬件系统实现方法的流程为：启动硬件系统并进行自检，自检成功后依次对待标定的加速度计在输入加速度为1g和-1g时采集其输出，根据所采集到的输出以及期望的标度因数计算加速度计中可变电容的电容值，并判断是否为有效根；在获得加速度计中可变电容的电容值的有效根后，依次对待标定的加速度计在输入加速度为0g和-0g时采集其输出，根据所采集到的输出计算两个补偿电容的电容值；若两个补偿电容的电容值合法，则将两个补偿电容的电容值以及可变电容的电容值的有效根写入加速度计中的参数控制存储器，即EEPROM中。

通过上述硬件系统和流程完成加速度计的整个标定过程，全过程无需人工干预，且经实践可以得出，采用上述标定方法，零位偏置小于5mV，标度因数误差小于2mV/g，单个芯片标定时间小于40s。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种量程可调式MEMS加速度计的参数标定方法，用于对由敏感结构和包括两个补偿电容的ASIC电路组成的MEMS加速度计进行标度因数以及补偿电容的标定，其特征在于：其包括

（1）分别在所述的加速度计的输入加速度为1g和-1g时，采集所述的加速度计在所述的ASIC电路的一组特定增益下的一组输出，所述的特定增益由一可变电容控制，即采集所述的加速度计在所述的可变电容的一组电容值下的一组输出；

根据所获得的所述的加速度计的两组输出得到所述的加速度计在一组所述的电容值下的一组标度因数，且得到由所述的标度因数和所述的电容值对应构成的一组数据对；

根据一组所述的数据对以及所述的标度因数和所述的电容值所满足的二阶模型进行拟合，获得所述的二阶模型中的系数，从而确定所述的标度因数和所述的电容值之间的曲线关系式；

假设所期望的标度因数并将其带入所述的标度因数和所述的电容值之间的曲线关系式中，求解得到所述的可变电容的电容值的有效根，据此可变电容的电容值的有效根而完成所述的标度因数的标定；

（2）分别在所述的加速度计的输入加速度为0g和-0g时，取若干组两个所述的补偿电容的取值组合，采集所述的加速度计在若干组补偿电容的取值组合下的一组输出；

根据所述的ASIC电路的传递函数以及所获得的所述的加速度计的两组输出得到两个所述的加速度计分别在输入加速度为0g和-0g时的输出电容差，并对两个在输入加速度为0g和-0g时的输出电容差求平均值而得到所述的加速度计的输出电容差；

令所述的ASIC电路的传递函数中加速度计的输出为0并根据和所述的加速度计的输出电容差求得两个所述的补偿电容的电容值的关系，再分别令一个所述的补偿电容的电容值为0时求解另一个所述的补偿电容的电容值，从而完成所述的补偿电容的标定。

2.根据权利要求1所述的量程可调式MEMS加速度计的参数标定方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，所述的可变电容的一组电容值在所述的可变电容的变化范围内，以一固定间隔取值而获得。

3.根据权利要求1所述的量程可调式MEMS加速度计的参数标定方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，所述的加速度计的输入加速度分别为1g和-1g即使待标定的所述的加速度计的输入轴方向向量与1g或-1g重力场方向向量平行且同向；所述的步骤（2）中，所述的加速度计的输入加速度分别为0g和-0g即使待标定的所述的加速度计的输入轴方向向量与0g或-0g重力场方向向量平行且同向。

4.根据权利要求1所述的量程可调式MEMS加速度计的参数标定方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，根据所获得的所述的加速度计的两组输出得到所述的加速度计在一组所述的电容值下的一组标度因数时，所述的标度因数与所述的加速度计的输出之间的关系满足：

其中，SF为所述的标度因数，Vout_1g为所述的加速度计在输入加速度为1g时的输出，Vout_-1g为所述的加速度计在输入加速度为-1g时的输出。

5.根据权利要求1所述的量程可调式MEMS加速度计的参数标定方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，所述的标度因数和所述的电容值所满足的二阶模型为

其中，SF为所述的标度因数，α₀、α₁、α₂为所述的系数，CF为所述的电容值。

6.根据权利要求1所述的量程可调式MEMS加速度计的参数标定方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，采用最小二乘法拟合获得所述的二阶模型中的系数。

7.根据权利要求1所述的量程可调式MEMS加速度计的参数标定方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，将所期望的标度因数带入所述的标度因数和所述的电容值之间的曲线关系式中求解时，得到两个所述的可变电容的电容值的根，则落入所述的可变电容的变化范围内的根为所述的可变电容的电容值的有效根。

8.根据权利要求1所述的量程可调式MEMS加速度计的参数标定方法，其特征在于：所述的步骤（2）中，所述的ASIC电路的传递函数为： $\mathrm{Vout}={\mathrm{\β}}_0+{\mathrm{\β}}_1\frac{({\mathrm{CS}}_2-{\mathrm{CS}}_1)+({\mathrm{CSIN}}_2-{\mathrm{CSIN}}_1)}{\mathrm{CF}},$ 其中，Vout为所述的ASIC电路的输出，β₀、β₁为所述的加速度计的已知相关参数，CF为所述的步骤（1）中求解得到的所述的可变电容的电容值的有效根，CSIN₂-CSIN₁为由所述的加速度计的敏感结构决定的输出电容差，CS₂、CS₁为两个所述的补偿电容的取值。

9.根据权利要求1所述的量程可调式MEMS加速度计的参数标定方法，其特征在于：实现该方法的硬件系统包括写入控制程序的上位机、与所述的加速度计相连接并在所述的上位机的控制下向所述的加速度计中设置参数和采集所述的加速度计的输出的数据采集卡、与所述的上位机相连接并在所述的上位机的控制下使所述的加速度计处于不同的重力场中的程控分度台。

10.根据权利要求9所述的量程可调式MEMS加速度计的参数标定方法，其特征在于：所述的硬件系统实现所述的方法的流程为：启动所述的硬件系统并进行自检，自检成功后依次对待标定的所述的加速度计在输入加速度为1g和-1g时采集其输出，根据所采集到的输出以及期望的标度因数计算所述的加速度计中可变电容的电容值的有效根；在获得所述的加速度计中可变电容的电容值的有效根后，依次对待标定的所述的加速度计在输入加速度为0g和-0g时采集其输出，根据所采集到的输出计算两个所述的补偿电容的电容值；若两个所述的补偿电容的电容值合法，则将两个所述的补偿电容的电容值以及所述的可变电容的电容值的有效根写入加速度计中的参数控制存储器中。

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