CN106771361B - 双电容式微机械加速度传感器及基于其的温度自补偿系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双电容式微机械加速度传感器及基于该双电容式微机械加速度传感器的温度自补偿系统，双电容式微机械加速度传感器包括两类栅极和两类固定铝电极，分别对应两个输出端，这两个输出端分别与两个差分电容电压转换电路的输入端相连，差分电容电压转换电路的输出端分别和高频载波发生器的输出端与相干解调器的输入端相连，相干解调器的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端与温度自补偿电路的输入端相连。该系统不需要外加温度传感器来测量加速度传感器的温度，排除了由于温度梯度而造成的温度测量误差对补偿精度的影响，提高了温度补偿精度，同时消除了温度系数的非线性特性对温度补偿结果的影响。

Description

双电容式微机械加速度传感器及基于其的温度自补偿系统
技术领域
本发明属于加速度测量领域，尤其涉及一种双电容式微机械加速度传感器及基于该传感器的温度自补偿系统，对电容式微机械加速度传感器的温漂性能进行优化和改善。
背景技术
电容式微机械加速度传感器敏感外界的加速度信号，并将加速度信号转换为差分电容的变化，通过差分电容电压转换电路将差分电容的变化转换为电压信号，并经后级的处理电路即可得到输入加速度信号的大小，从而实现对加速度的检测。
由于电容式微机械加速度传感器的关键单元是电容，当温度改变时，电容的结构尺寸、环境中的介电常数、结构中的热致应力和残余应力等均会发生变化，从而引起电容的容值发生改变，即加速度计输出信号的变化，影响加速度计对真实加速度信号的检测。因此，为了降低温度对电容式微机械加速度传感器输出信号的影响，就需要采用有效的温度补偿方法来提高电容式微机械加速度传感器的温度稳定性。
现有的提高电容式微机械加速度传感器温度稳定性的方法包括控制加速度传感器的工作温度、利用温度传感器测得加速度传感器的工作温度并采用公式拟合或模型估计的方法建立零偏和灵敏度的温漂补偿模型、从加速度传感器的结构和工艺上进行优化等多种方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的双电容式微机械加速度传感器及基于该双电容式微机械加速度传感器的温度自补偿系统，通过合理设计双电容式微机械加速度传感器的尺寸参数和后级处理电路的增益，能够在保证系统灵敏度的同时消除温度对系统输出端信号的影响。
本发明所采取的技术方案是提供一种双电容式微机械加速度传感器，其特殊之处在于：包括栅极单元和固定铝电极单元，上述栅极单元包括N个宽栅极以及与宽栅极数量相等的窄栅极；上述固定铝电极单元包括2N个宽固定铝电极以及与宽固定铝电极数量相等的窄固定铝电极；N大于等于1；
上述宽栅极的极板宽度大于窄栅极；
上述宽固定铝电极的极板宽度大于窄固定铝电极；
宽栅极与相对应两个宽固定铝电极构成第一电容，窄栅极与相对应两个窄固定铝电极构成第二电容；
宽栅极和相对应的宽固定铝电极的交叠部分，与窄栅极和相对应的窄固定铝电极的交叠部分的宽度不同。
为了保证质量块的质量均衡，上述N大于等于2，上述宽栅极和窄栅极相互交错。
本发明还提供了一种基于双电容式微机械加速度传感器的温度自补偿系统，其特殊之处在于：
包括具有两个输出端的双电容式微机械加速度传感器、第一差分电容电压转换电路、第二差分电容电压转换电路、同相相干解调器、反相相干解调器、第一移相器、第二移相器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、高频载波发生器和自补偿电路；
上述高频载波发生器的输出端分别与双电容式微机械加速度传感器的输入端、第一移相器的输入端、第二移相器的输入端连接；
上述双电容式微机械加速度传感器的两个输出端分别与第一差分电容电压转换电路的输入端、第二差分电容电压转换电路的输入端连接；上述第一差分电容电压转换电路的输出端、第二差分电容电压转换电路的输出端分别与同相相干解调器输入端、反相相干解调器的输入端连接；上述同相相干解调器输入端、反相相干解调器的输入端还分别与第一移相器的输出端、第二移相器的输出端连接；所述同相相干解调器的输出端、反相相干解调器的输出端分别与第一低通滤波器的输入端、第二低通滤波器的输入端连接，上述第一低通滤波器的输出端、第二低通滤波器的输出端与自补偿电路的输入端连接；
上述第一移相器的输出信号和第一差分电容电压转换电路的输出信号同相，第二移相器的输出信号和第二差分电容电压转换电路的输出信号反相。
上述双电容式微机械加速度传感器包括栅极单元和固定铝电极单元，上述栅极单元包括N个宽栅极以及与宽栅极数量相等的窄栅极；上述固定铝电极单元包括2N个宽固定铝电极以及与宽固定铝电极数量相等的窄固定铝电极；N大于等于1；上述宽栅极的极板宽度大于窄栅极；上述宽固定铝电极的极板宽度大于窄固定铝电极；宽栅极与相对应两个宽固定铝电极构成第一电容，窄栅极与相对应两个窄固定铝电极构成第二电容；宽栅极和相对应的宽固定铝电极的交叠部分，与窄栅极和相对应的窄固定铝电极的交叠部分的宽度不同。
优选的，为了保证质量块的质量均衡，上述N大于等于2，上述宽栅极和窄栅极相互交错。
自补偿电路由加法器组成，加法器的输出即为电容式微机械加速度传感器的输出。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
1)本发明将结构、材料、工艺完全相同，尺寸不同的两个电容式微机械加速度传感器集成在一起，利用两个电容式微机械加速度传感器随温度的变化趋势一致，在相干解调时分别采用同相解调和反相解调的方法，以此来消除温度对电容式微机械加速度传感器的影响。
2)本发明不需要热敏电阻或集成温度传感器来测量加速度传感器的温度，因此排除了温度测量误差对补偿精度的影响，提高了温度补偿精度。
3)本发明的温度补偿装置由于不需要在电容式微机械加速度传感器上安装使用温度传感器，避免了加速度传感器的金属管壳内因存在温度梯度而造成的温度测量误差，进一步提高了温度补偿精度。
4)本发明所采用的结构能够消除温度对单个电容式微机械加速度传感器的非线性影响，提高温度补偿精度。
附图说明
图1是双电容式微机械加速度传感器的温度自补偿系统结构框图。
图2是本发明变面积式栅结构双电容式微机械加速度传感器的内部结构示意图。
图3是现有的变面积式栅结构电容检测式微机械加速度传感器的内部结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的描述。
现有的变面积式栅结构电容检测式微机械加速度传感器如图3所示，对其进行改进后的变面积式栅结构双电容式微机械加速度传感器如图2所示。改进方式如下：
(1)将栅电极在X方向上的宽度设计为两种不同的尺寸参数，如图2所示的W1和W2，其中W1<W2。
(2)将固定铝电极在X方向上的宽度设计为两种不同的尺寸参数，如图2所示的W5和W6，其中W5<W6。
(3)将栅电极与固定铝电极之间在X方向上的交叠宽度设计为两种不同的尺寸参数，如图2所示的W3和W4，其中W3<W4。
(4)栅电极、固定铝电极在Y方向的长度对于不同宽度的结构是相同尺寸的，栅电极的厚度为d1，栅电极与固定铝电极在Z方向上的间距为d2。
(5)为保证质量块的质量均衡，不同尺寸的电极结构相互交错。
(6)引出两组差分电容对，分别为第一电容式微机械加速度传感器的差分电容对C01和C02，第二电容式微机械加速度传感器的差分电容对C01'和C02'。
单载波调制型的电容式微机械加速度传感器敏感外界的加速度信号，并将加速度信号转换为差分电容的变化，通过差分电容电压转换电路将传感器内部的差分电容转换为电压信号，并经相干解调器进行相敏解调和低通滤波器进行滤波，可得到与输入加速度信号成正比的电压信号，从而实现对加速度的检测。
由于加工时工艺误差的存在，使得双电容式微机械加速度传感器内部存在着初始电容的不对称，即在输入加速度为零时两个初始差分电容之间存在一定的电容差。第一电容式微机械加速度传感器的初始电容为C01和C02，且C01>C02；第二电容式微机械加速度传感器的初始电容为C01'和C02'，且C01'>C02'。
假设加速度传感器内部初始电容的温度系数为KTC，由于两个加速度传感器的结构、材料、工艺、加工条件、加工过程完全相同，因此两个加速度传感器的温度系数相等，均为KTC。
零加速度输入时，温度由初始值t0变化到t1，设温度变化量为Δt。温度变化Δt后，第一低通滤波器的输出为：
Vout1＝Vcarrier·(1+KTCC·Δt)·(C01-C02)(1+KTC·Δt)·G1(1+KTCG1·Δt) (1)
由于同相相干解调器的两路输入信号(第一移相器的输出信号和第一差分电容电压转换电路的输出信号)相位相同，因此Vout1为正，且温度升高Vout1变大。
温度变化Δt后，第二低通滤波器的输出为：
Vout2＝-Vcarrier·(1+KTCC·Δt)·(C01′-C02′)(1+KTC·Δt)·G2(1+KTCG2·Δt) (2)
由于反相相干解调器的两路输入信号(第二移相器的输出信号和第二差分电容电压转换电路的输出信号)相位相反，因此Vout2为负，且温度升高Vout2变小。
式(1)和式(2)中，Vcarrier为载波信号幅度，KTCC为载波信号的温度系数；G1为第一差分电容电压转换电路、同相相干解调器、第一低通滤波器的总增益；G2为第二差分电容电压转换电路、反相相干解调器、第二低通滤波器的总增益；KTCG1和KTCG2分别为增益G1和G2的温度系数。
温度变化Δt后，温度自补偿电路即模拟加法器的输出为：
Figure BDA0001181795920000051
Δt＝0时，Vout1+Vout2＝Vcarrier·(C01-C02)·G1-Vcarrier·(C01′-C02′)·G2 (4)
为使得系统的输出Vout1+Vout2不随温度的改变而变化，那么须满足：
Figure BDA0001181795920000052
由于KTCC、KTCG1、KTCG2的值均很小，因此可忽略不计。因此，式(5)可简化为：
Figure BDA0001181795920000053
整理式(6)后得到：
Figure BDA0001181795920000054
因此，增益G1和G2满足式(7)所示的条件时，该电容式微机械加速度传感器系统的零偏温度系数为0，即系统输出零偏不受温度的影响。
若温度对电容式微机械加速度传感器的影响为非线性关系，即加速度传感器内部初始电容的温度系数KTC并非常数，而是与环境温度有关的参数，用KTC＝f(t)来表示，将其代入式(6)中，仍可得到式(7)。由此可见，本发明所述的基于双电容式微机械加速度传感器的温度自补偿方法能够降低温度对系统输出信号的影响，同时消除温度对单个电容式微机械加速度传感器的非线性影响，提高温度补偿精度。
当X方向上外界输入加速度为a时，恒定t0温度下：
Vout1＝Vcarrier·((C01+ΔC1)-(C02-ΔC1))·G1 (8)
Vout2＝-Vcarrier·((C01′+ΔC2)-(C02′-ΔC2))·G2 (9)
Vout1+Vout2＝Vcarrier·((C01+ΔC1)-(C02-ΔC1))·G1-Vcarrier·((C01′+ΔC2)-(C02′-ΔC2))·G2(10)
其中，ΔC1为第一电容式微机械加速度传感器在X方向上外界输入加速度为a时所产生的电容变化量，ΔC2为第二电容式微机械加速度传感器在X方向上外界输入加速度为a时所产生的电容变化量。
当外界输入加速度为0时，恒定t0温度下：
Vout1+Vout2＝Vcarrier·(C01-C02)·G1-Vcarrier·(C01′-C02′)·G2 (11)
则系统的灵敏度为：
Figure BDA0001181795920000061
将式(7)代入式(12)得到该双电容式微机械加速度传感器系统的灵敏度为：
Figure BDA0001181795920000062
因此，本发明所述的基于双电容式微机械加速度传感器的温度自补偿方法能够在保证一定的系统灵敏度的同时，降低加速度计系统的温漂，提高系统输出信号的抗温度干扰的能力。
由于加工时工艺误差的存在，使得双电容式微机械加速度传感器内部存在着初始电容的不对称，即在输入加速度为零时两个初始差分电容之间存在一定的电容差。假设双电容式微机械加速度传感器内部的两个初始电容差分别为C01-C02＝0.3pf，C01′-C02′＝0.5pf，则满足条件式(7)的情况是增益G1与G2的关系为G2＝0.6G1(可通过调整后级第一低通滤波器和第二低通滤波器的增益来实现)，此时系统输出端的灵敏度为
Figure BDA0001181795920000071
因此，合理设计双电容式微机械加速度传感器的尺寸参数和后级处理电路的增益，能够在保证系统灵敏度的同时消除温度对系统输出端信号的影响。

Claims (6)

1.一种双电容式微机械加速度传感器，其特征在于：包括栅极单元和固定铝电极单元，所述栅极单元包括N个宽栅极以及与宽栅极数量相等的窄栅极；所述固定铝电极单元包括2N个宽固定铝电极以及与宽固定铝电极数量相等的窄固定铝电极；N大于等于1；
所述宽栅极的极板宽度大于窄栅极；
所述宽固定铝电极的极板宽度大于窄固定铝电极；
宽栅极与相对应两个宽固定铝电极构成第一电容，窄栅极与相对应两个窄固定铝电极构成第二电容；
宽栅极和相对应的宽固定铝电极的交叠部分，与窄栅极和相对应的窄固定铝电极的交叠部分的宽度不同。
2.根据权利要求1所述的双电容式微机械加速度传感器，其特征在于：所述N大于等于2，所述宽栅极和窄栅极相互交错。
3.一种基于权利要求1或2所述的双电容式微机械加速度传感器的温度自补偿系统，其特征在于：
包括具有两个输出端的双电容式微机械加速度传感器、第一差分电容电压转换电路、第二差分电容电压转换电路、同相相干解调器、反相相干解调器、第一移相器、第二移相器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、高频载波发生器和自补偿电路；
所述高频载波发生器的输出端分别与双电容式微机械加速度传感器的输入端、第一移相器的输入端、第二移相器的输入端连接；
所述双电容式微机械加速度传感器的两个输出端分别与第一差分电容电压转换电路的输入端、第二差分电容电压转换电路的输入端连接；所述第一差分电容电压转换电路的输出端、第二差分电容电压转换电路的输出端分别与同相相干解调器输入端、反相相干解调器的输入端连接；所述同相相干解调器输入端、反相相干解调器的输入端还分别与第一移相器的输出端、第二移相器的输出端连接；所述同相相干解调器的输出端、反相相干解调器的输出端分别与第一低通滤波器的输入端、第二低通滤波器的输入端连接；所述第一低通滤波器的输出端、第二低通滤波器的输出端与自补偿电路的输入端连接；
所述第一移相器的输出信号和第一差分电容电压转换电路的输出信号同相，第二移相器的输出信号和第二差分电容电压转换电路的输出信号反相。
4.根据权利要求3所述的基于双电容式微机械加速度传感器的温度自补偿系统，其特征在于：所述双电容式微机械加速度传感器包括栅极单元和固定铝电极单元，所述栅极单元包括N个宽栅极以及与宽栅极数量相等的窄栅极；所述固定铝电极单元包括2N个宽固定铝电极以及与宽固定铝电极数量相等的窄固定铝电极；N大于等于1；
所述宽栅极的极板宽度大于窄栅极；
所述宽固定铝电极的极板宽度大于窄固定铝电极；
宽栅极与相对应两个宽固定铝电极构成第一电容，窄栅极与相对应两个窄固定铝电极构成第二电容；
宽栅极和相对应的宽固定铝电极的交叠部分，与窄栅极和相对应的窄固定铝电极的交叠部分的宽度不同。
5.根据权利要求4所述的基于双电容式微机械加速度传感器的温度自补偿系统，其特征在于：所述N大于等于2，所述宽栅极和窄栅极相互交错。
6.根据权利要求3所述的一种基于双电容式微机械加速度传感器的温度自补偿系统，其特征在于：自补偿电路由加法器组成，加法器的输出即为电容式微机械加速度传感器的输出。
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