CN104678126A

CN104678126A - 基于寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法

Info

Publication number: CN104678126A
Application number: CN201510058279.3A
Authority: CN
Inventors: 刘义冬; 李丹; 金仲和
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2035-02-04
Also published as: CN104678126B

Abstract

本发明涉及一种基于寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法。电容式微机械加速度计存在一定的串联寄生电阻，在采用载波调制方式检测电容变化并进行正交解调后，可以同时得到幅度信息和相位偏移信息，幅度信息表征加速度大小并受温度影响，而相位偏移主要受寄生电阻的温度漂移影响，因此可以能够有效的利用解调之后的信号进行实时温度补偿，降低系统的温度灵敏度，提高系统的稳定性，同时不需要增加额外的温度补偿电路，减小了面积。

Description

基于寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法

技术领域

本发明属于航空航天领域高精度惯性元件的的温度补偿研究领域。涉及一种基于MEMS寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法。

背景技术

微机械加速度计是一种以微机械制造技术制作加工而成的加速度计，相比于其他类型的加速度计，电容式微机械加速度计由于其具有体积小、重量轻、可靠性好、功耗低、检测简单等诸多优点，已经在惯性导航领域得到了广泛的重视和应用，成为了惯性导航系统中不可缺少的器件；因此微机械加速度计的精度将直接影响惯性导航的精度，而微机械加速度计的精度除了受到敏感元件的制造工艺、内部结构等本身的性能影响外，测试时所处的环境因素也会影响其测试精度。在诸多的环境因素中，温度变化对系统的影响尤为突出。为了使微机械加速度计满足更广泛的应用需求，就需要保证加速度计在温度变化的情况下始终能够保持很高的加速度检测精度和稳定性。

对于硅微加速度计而言，温度对系统的影响主要有两个方面：敏感元件和检测电路。对于敏感元件而言主要表现在：(1)敏感元件的杨氏模量会随温度变化，从而致弹性系数发生变化，影响系统的谐振频率；(2)敏感元件封装管壳内的空气受温度影响，从而使得器件的阻尼系数发生改变；(3)不同材料的热膨胀系数不同将使得两种材料的交界面上产生热应力，这个热应力的存在将改变加速度计的机械特性。在检测电路方面，主要包括电阻电容等无源器件以及运算放大器、ADC、DAC等有源器件随温度的变化。以上种种与温度有关的因素都会影响着加速度计系统的温度特性，恶化系统的稳定性。

现有技术中，降低温度对加速度计系统精度的影响主要有四种方法：(1)研制出对温度不敏感的器件；

(2)在结构中增加负温度系数的材料、元件，补偿温度对加速度计器件精度的影响；(3)改善测试环境的温度，或采用一定的手段强行使得加速度计器件的测试环境温度保持恒定；(4)有计划的改变加速度计系统测试期间的环境温度，研究不同温度下加速度计系统的输出特性，辨识出加速度计器件的静动态温度模型，从而采用硬件或软件的方法进行实时的温度补偿。对于已经加工完成的加速度计器件，方法一和方法二俨然不能达到改善温度特性的目的；而方法三通常需要高精度的控温设备，不仅占用体积还增加了功耗；方法四相对来说具有结构简单，成本低等优点，但是需要设计额外的电路来加以实现，占用了面积，限制了系统的小型化。

本发明的目的在于提出一种基于寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法，该方法克服现有温度补偿技术的实时性、精确性及复杂性等不足之处，提供了一种基于微机械传感器敏感元件寄生电阻的温度补偿方法，该方法主要考虑到了MEMS寄生电阻对系统检测电路幅度和相移的影响。利用系统检测电路的相移来检测温度变化，从而进行温度补偿。由于通过正交解调后，可直接同时获得幅度信息和相移信息，因此该方案实现简单，在电路上不占用额外的面积，且能实时直接获取敏感器的准确温度信息。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为了克服现有温度补偿技术的不足之处，提供了一种基于MEMS寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法，

一种基于MEMS寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法包括下列步骤：

1)考虑了MEMS寄生电阻，对模拟检测电路进行分析，得到模拟检测电路所产生的幅度和相移与MEMS寄生电阻的关系；

2)将加速度计系统置于温箱内，保持输入加速度不变，MEMS寄生电阻的阻值会随测试温度的变化而变化，而该寄生电阻阻值的变化将导致模拟检测电路产生的幅度和相移发生变化，以每10℃为间隔变化温度，测量IQ解调之后的加速度信号和相移信号，得到加速度信号和相移信号与温度之间的关系；

3)根据加速度信号和相移信号与温度之间的关系，利用实际工作时测得的加速度信号和相移信号来检测温度的变化，从而在FPGA内进行温度补偿，降低系统的温度灵敏度，提高系统的稳定性。

所述的电容式微机械加速度计敏感元件结构是可变电容且含有寄生串联电阻。

所述的步骤2)中的输入加速度通过检测双边电容差值来测量。

所述的双边电容差值采用载波调制方式检测。

所述的IQ解调方式为：FPGA产生两路正交正弦波用于调制信号的解调。

所述的相位偏移信号表征温度信息，加速度信号同时受温度和加速度影响。

该方法主要考虑到了MEMS寄生电阻对系统模拟检测电路幅度和相移的影响，即MEMS寄生电阻的阻值会随温度变化，从而影响到模拟检测电路的增益幅度和相移。利用模拟检测电路的增益幅度和相移来检测温度变化，在FPGA内通过IQ解调得到加速度信号和模拟电路的相移信号，利用解调之后的信号进行加速度计系统的温度补偿。该方案实现简单，在电路上不占用额外的面积，能降低系统的温度灵敏度，提高系统的稳定性，

本发明的电容式微机械加速度计是通过检测敏感元件电容变化来测量敏感轴方向加速度的大小。有两种常用的电容检测电路：开关型电容检测电路和调制解调型电容检测电路。调制解调型电容检测电路的原理是将低频电容信号调制到高频交流信号，经过放大后进行解调，就可以得到电容值。本发明的信号处理是在信号解调阶段通过正交解调同时得到电容值信息和温度信息，由此可进行温度补偿。它的信号处理包括下列步骤：

(1)采用调制解调型电容检测电路对微机械加速度计敏感电容进行检测；

(2)本地产生高频调制载波对加速度计敏感电容进行幅度调制，由于加速度计本身寄生电阻的存在，会导致幅度调制的同时产生一定相移；

(3)本地产生正交的两路高频解调载波信号，两路正交解调载波频率相同且与调制载波同频；

(4)用这两路解调载波对电容检测调制载波进行正交解调运算可以得到幅度信号和相位信号；

(5)幅度信号包含加速度计可变电容对加速度和温度的响应，相位信号反映加速度计寄生电阻受温度的影响，最后可用相位信号对幅度信号进行温度补偿。

温度补偿方法包括下列步骤：

(1)将加速度计电容检测电路系统置于温箱内，保持输入加速度不变，以每10℃(或者其它温度间隙)为间隔，测量正交解调之后的幅度信号和相移信号。

(2)分析幅度信号和相移信号与温度之间的关系并进行曲线拟合。

(3)根据拟合曲线进行温度实时补偿，利用相移信号来检测温度的变化，从而在系统内部进行温度补偿，降低系统的温度灵敏度，提高系统的稳定性。

由于采用上述方案，本发明具有以下优点：

1)可以有效利用已有的解调信号，仅仅利用解调信号来检测温度的变化，从而进行温度补偿。

2)该发明反应的是敏感器件本身的实时温度信息，不存在温差的影响。

3)该发明与其他温度补偿方法相比，能免去额外温度补偿电路的设计，节省了电路面积，降低电路功耗和复杂度。

附图说明

图1是单路载波调制型电容检测电路前端结构图；

图2是考虑了MEMS寄生电阻后的敏感差分电容元件模型；

图3是单路载波调制型数字式电容检测电路的系统框图；

图4是数字载波正交解调原理框图；

图5对温度与检测电路相移和幅度的仿真结果图，

图6外部输入加速度与检测电路相移和幅度的仿真结果图

图7是温度与模拟信号电路幅度和相移的测试结果图；

图8是输入加速度与模拟信号电路幅度和相移的测试结果图；

图9是加速度计系统在温度补偿前的零偏稳定性测试；

图10是加速度计系统进行在进行温度补偿后的零偏稳定性测试；

图11是加速度系统在未进行温度补偿前不同温度点的零偏输出；

图12是加速度系统在进行温度补偿后不同温度点的零偏输出。

具体实施方式

本发明提出了一种基于MEMS寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法，这种电容式微机械加速度计的温度补偿方法结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的单路载波调制型检测电路前端结构如图1所示，其中1为等效的MEMS寄生电阻R_s，2和3为敏感元件的差分电容C_s1和C_s2，17为检测电路的调制载波输入电压V_in，5、6为运算放大器的反馈电阻R_f1、R_f2，4、7为运算放大器的反馈电容C_f1、C_f2，10、13为与减法器反相端连接的电阻R₁、R₂，11、15为与减法器同相端连接的电阻R₃、R₄，12、14为减法器的反馈电容C₁、C₂，18为模拟检测电路的输出信号V_out，其经过模数转换后进入数字信号处理平台进行解调即可得到所需的加速度信号和相移信号；图2所示为考虑了MEMS寄生电阻之后的敏感元件模型。考虑了MEMS寄生电阻之后，模拟检测电路的输出信号可以表示为：

\begin{matrix} CV 1 = - \frac{jw C_{s 1} R_{f 1}}{(1 + jw C_{f 1} R_{f 1}) (1 + jw R_{s} (C_{s 1} + C_{s 2}))} v_{in} \\ CV 2 = - \frac{jw C_{s 2} R_{f 2}}{(1 + jw C_{f 2} R_{f 2}) (1 + jw R_{s} (C_{s 1} + C_{s 2}))} v_{in} \end{matrix} - - - (1)

V_{out} = \frac{(R_{1} + R_{2} + jw C_{1} R_{1} R_{2}) R_{4}}{R_{1} (1 + jw C_{1} R_{2}) (R_{3} + R_{4} + jw C_{2} R_{3} R_{4})} CV 2 - \frac{R_{2}}{R_{1} (1 + jw C_{1} R_{2})} CV 1

假设检测电路完全对称，即R_f1＝R_f2，C_f1＝C_f2，C₁＝C₂，R₁＝R₂，R₃＝R₄，C_s0为表头的电容初始值，C₀为表头的电容差初始值，ΔC为加速度引起的电容变化量，且有C_s1＝C_s0+C₀+ΔC，C_s2＝C_s0-ΔC，则V_out可以化简为：

\begin{matrix} V_{out} = \frac{(R_{1} + R_{2} + jw C_{1} R_{1} R_{2}) R_{4}}{R_{1} (1 + jw C_{1} R_{2}) (R_{3} + R_{4} + jw C_{2} R_{3} R_{4})} CV 2 - \frac{R_{2}}{R_{1} (1 + jw C_{1} R_{2})} CV 1 \\ = \frac{R_{2} jw C_{s 1} R_{f 1} - R_{2} jw C_{s 2} R_{f 1}}{R_{1} (1 + jw C_{1} R_{2}) (1 + jw C_{f 1} R_{f 1}) (1 + jw R_{s} (C_{s 1} + C_{s 2}))} V_{in} \\ = \frac{jw R_{2} R_{f 1} (C_{0} + 2 ΔC)}{R_{1} (1 + jw C_{1} R_{2}) (1 + jw C_{f 1} R_{f 1}) (1 + jw R_{s} ({2 C}_{s 0} + C_{0}))} V_{in} \end{matrix} - - - (2)

此时令：

A_{α} = \frac{jw R_{2} R_{f 1} (C_{0} + 2 ΔC)}{R_{1} (1 + jw C_{1} R_{2}) (1 + jw C_{f 1} R_{f 1}) (1 + jw R_{s} (C_{s 1} + C_{s 2}))}

则有V_out＝A_αV_in，设A为A_α的幅度，θ为A_α的相位，V_in＝Vsin(wt)，则V_out可以写为：V_out＝AVsin(wt+θ)，其中有：

A = \frac{{wR}_{2} R_{f 1} (C_{0} + 2 ΔC)}{\sqrt{(1 + w^{2} R_{s}^{2} {({2 C}_{s 0} + C_{0})}^{2}) {R_{1}}^{2} (1 + w^{2} {C_{1}}^{2} {R_{2}}^{2}) (1 + w^{2} {C_{f 1}}^{2} {R_{f 1}}^{2})}} - - - (3)

使用现有条件C_f1＝10pf,R_f1＝100MΩ,R₁＝1KΩ,R₂＝4KΩ,C₁＝82pf,且他们的温漂均为0ppm，取w＝2f，f为156.25KHz，则式3可以化简为：

A = \frac{3.9250 \times 10^{17} \times (C_{0} + 2 ΔC)}{1.0308 \times 10^{6} \times \sqrt{1 + 9.6285 * 10^{11} {R_{s}}^{2} {({2 C}_{s 0} + C_{0})}^{2}}} - - - (4)

从式4可以看出，A_α的幅度与加速度引起的电容变量化以及MEMS寄生电阻R_s有关；A_α的相位与MEMS寄生电阻R_s有关。

图5所示为本发明对温度与检测电路相移和幅度的仿真结果图，图6所示为本发明对外部输入加速度与检测电路相移和幅度的仿真结果图。从图5和图6中可以看到检测电路的幅度和相移与温度和外部输入加速度信号呈一定的固定关系。为进行温度补偿提供了理论基础。

检测电路的模拟输出信号V_out＝AVsin(wt+θ)经过ADC之后与同频率的载波信号进行IQ解调，得到加速度信号和相移信号θ，其中加速度信号和检测电路的增益幅度A成正比关系，比例系数为其中V为载波幅度，为固定值。

将加速度计系统固定在分度头的水平位置并置于温箱内，以每10℃为间隔，测量输出加速度信号和相移信号与温度之间的关系，测试结果如图7所示。

将加速度计系统固定在分度头上，转动分度头，测试输入加速度与加速度信号和相移信号之间的关系，测试结果如图8所示。

从图8中可以看出，加速度信号只会影响到检测电路的幅度信号，检测电路的相移信号基本保持不变；图7所示，检测电路的相移信号与温度基本成线性关系，与幅度信号成二次项关系，因此可以通过输出加速度信号和相移信号与温度的关系来进行温度补偿。

将加速度计系统置于水平位置固定，测试温度补偿前系统的零偏稳定性，测试结果如图9所示。

将加速度计系统置于水平位置固定，测试温度补偿后系统的零偏稳定性，测试结果如图10所示。

将加速度计系统置于水平位置，放置于温箱内，以10℃为间隔，测量系统在0℃到60℃温度区间内系统的零偏输出。测量时设置采样频率为1Hz，每点测量数据时间不超过30秒，取其平均值。

测试得到不同温度点在未进行温度补偿前零偏输出如图11所示。

测试得到不同温度点在进行温度补偿后的零偏输出如图12所示。

从图11,12可以看出，在经过温度补偿后，系统的零偏温漂有所减小，温度灵敏度有所降低，显示出了温度补偿的优越性。

本发明的工作原理：MEMS寄生电阻的阻值会随温度变化，温漂约为1000ppm/℃，而该电阻阻值的变化将导致模拟检测电路产生的幅度和相移发生变化，通过检测模拟检测电路幅度和相移的变化就能得到所需的温度信息，从而进行温度补偿。

综上所示，本发明研究的一种基于MEMS寄生电阻的高精度微机械加速度计相移温度补偿方法，能够有效的利用解调之后的信号进行温度补偿，降低系统的温度灵敏度，提高系统的稳定性，同时不需要增加额外的温度补偿电路，减小了面积。

Claims

1.一种基于MEMS寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法，其特征在于包括下列步骤：

1）考虑了MEMS寄生电阻，对模拟检测电路进行分析，得到模拟检测电路所产生的幅度和相移与MEMS寄生电阻的关系；

2）将加速度计系统置于温箱内，保持输入加速度不变， MEMS寄生电阻的阻值会随测试温度的变化而变化，而该寄生电阻阻值的变化将导致模拟检测电路产生的幅度和相移发生变化，以每10℃为间隔变化温度，测量IQ解调之后的加速度信号和相移信号，得到加速度信号和相移信号与温度之间的关系；

3）根据加速度信号和相移信号与温度之间的关系，利用实际工作时测得的加速度信号和相移信号来检测温度的变化，从而在FPGA内进行温度补偿，降低系统的温度灵敏度，提高系统的稳定性。

2.一种基于寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法，其特征在于所述的电容式微机械加速度计敏感元件结构是可变电容且含有寄生串联电阻。

3.根据权利要求1所述的一种基于寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法，其特征在于所述的步骤2）中的输入加速度通过检测双边电容差值来测量。

4.根据权利要求3所述的一种基于寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法，其特征在于所述的双边电容差值采用载波调制方式检测。

5.根据权利要求1所述的一种基于寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法，其特征在于所述的IQ解调方式为：FPGA产生两路正交正弦波用于调制信号的解调。

6.根据权利要求1所述的一种基于寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法，其特征在于所述的相位偏移信号表征温度信息，加速度信号同时受温度和加速度影响。