CN109738670A - 一种mems电容式加速度计特征参数测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS电容式加速度计特征参数测量系统及测量方法，所述测量系统包括平衡式电容电桥与检测接口电路两部分，平衡式电容电桥由第一匹配电容C_ref1、第二匹配电容C_ref2和MEMS电容式加速度计构成；检测接口电路由第一电荷放大器、第二电荷放大器、仪表放大器、频谱分析仪、第一反馈电容C_f1、第二反馈电容C_f2构成。本发明的测量系统可以实现对MEMS电容式加速度计中敏感电容的驱动和检测以及对不同特征参数的分离提取。本发明的电学测量方法以电学测量系统为基础，配合精确的传感器姿态控制，可以准确的实现MEMS电容式加速度计的特征参数的测量，进而为后续接口电路的设计工作提供参考和指导。

Description

一种MEMS电容式加速度计特征参数测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于MEMS传感器特性测试技术领域，涉及一种测量MEMS电容式加速度计特征参数的系统及方法。

背景技术

MEMS加速度计的特征参数对于整个加速度检测系统的设计来说具有着重要的指导意义。实际设计中，需要在系统级层面根据加速度计的特征参数对配套接口电路进行设计和优化。特别对于闭环加速度检测系统来说，加速度计的特征参数直接影响系统的稳定性，不准确的特征参数将误导电路设计，造成系统的性能退化，严重的将导致系统的震荡崩溃。虽然加速度计在出厂时进行了标定和筛选，但每一只加速度计的特征参数都不尽相同，而且MEMS结构对温度环境变化敏感，长期存储后易发生特性的漂移。因此实现MEMS加速度计的特征参数的准确测量，对于减少设计误差、提高系统性能来说具有重要的意义。

图1所示为MEMS电容式加速度计敏感结构示意图。一个MEMS电容式加速度计敏感结构包括：一对不可动的固定极板(上固定极板111、下固定极板112)、一个通过上悬臂梁131、下悬臂梁132悬挂在所述上固定极板111、下固定极板112之间的可动质量块120，一个与可动质量块120相连的可动极板140。所述上固定极板111与所述可动极板140构成第一敏感电容C_S1，所述下固定极板112与所述可动极板140构成第二敏感电容C_S2。在零加速度输入条件下，所述可动质量块120位于所述上固定极板111、下固定极板112的中间位置，所述可动极板140与上固定极板111、下固定极板112之间的间距均为d₀，此时第一敏感电容C_S1与第二敏感电容C_S2大小相等。当存在外界加速度a_in时，所述可动质量块120偏离中间位置，产生位移x。所述上悬臂梁131、下悬臂梁132可等效为一对具有弹性系数k的弹簧，当发生位移x时，上悬臂梁131、下悬臂梁132将产生阻碍位移的弹力，大小为F_elastic＝-kx。当可动质量块120运动时还将受到空气阻力，阻尼系数为b，阻力大小为

所述MEMS加速度计的特征参数包括：质量块的质量m、弹性系数k、阻尼系数b等。所述特征参数对配套接口电路参数的选取具有重要影响，因此有必要在配套接口电路的设计开始阶段对上述特征参数加以准确测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种MEMS电容式加速度计特征参数测量系统及测量方法，可以实现包括质量块的质量m、弹性系数k、阻尼系数b等MEMS电容式加速度计的特征参数的测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种MEMS电容式加速度计特征参数测量系统，包括平衡式电容电桥与检测接口电路两部分，其中：

所述平衡式电容电桥由第一匹配电容C_ref1、第二匹配电容C_ref2和MEMS电容式加速度计构成；

所述MEMS电容式加速度计由第一敏感电容器与第二敏感电容器串联构成；

所述平衡式电容电桥具有四个输入端，第一输入端与所述第一敏感电容器C_S1的上极板、第二敏感电容器C_S2的上极板相连；第二输入端与所述第一敏感电容器C_S1的下极板、第一匹配电容C_ref1的上极板相连；第三输入端与所述第二敏感电容器C_S2的下极板、第二匹配电容器C_ref2的上极板相连；第四输入端与所述第一匹配电容C_ref1的下极板、第二匹配电容器C_ref2的下极板相连；

所述检测接口电路由第一电荷放大器、第二电荷放大器、仪表放大器、频谱分析仪、第一反馈电容C_f1、第二反馈电容C_f2构成；

所述第一电荷放大器的负输入端与所述平衡式电容电桥的第三输入端相连；

所述第一电荷放大器的正输入端与正预载电压+V_preload相连；

所述第一电荷放大器的输出端与所述仪表放大器的正输入端相连；

所述第一反馈电容C_f1跨接在所述第一电荷放大器的负输入端与输出端之间；

所述第二电荷放大器的负输入端与所述平衡式电容电桥的第二输入端相连；

所述第二电荷放大器的正输入端与负预载电压-V_preload相连；

所述第二电荷放大器的输出端与所述仪表放大器的负输入端相连；

所述第二反馈电容C_f2跨接在所述第二电荷放大器的负输入端与输出端之间；

所述仪表放大器的输出端与所述频谱分析仪的输入端相连。

一种利用上述测量系统进行MEMS电容式加速度计特征参数测量方法，包括以下步骤：

步骤1：将测量系统安装在精密转台上，调整精密转台角度获得0g输入条件；在平衡式电容电桥的第一输入端和第四输入端上施加相反相位的电学激励信号；根据第一电荷放大器、第二电荷放大器的输出电压调整第一匹配电容、第二匹配电容分别与第一反馈电容、第二反馈电容相等，完成测量前校正工作；

步骤2：调整精密转台角度获得±1g输入条件，分别测量第一敏感电容与第二敏感电容的差分变化，计算获得加速度电容变化灵敏度Sen(pF/g)：

式中，ω₀为二阶低通系统的谐振频率，C₀为第一敏感电容C_S1与第二敏感电容C_S2的静态电容，d₀为可动极板与上、下固定极板间的距离，V_out1为+1g输入条件下仪表放大器的输出电压，V_out2为-1g输入条件下仪表放大器的输出电压，C_ref1为第一匹配电容，C_ref2为第二匹配电容，V_c为电学激励信号的幅度；

步骤3：分别在±1g条件下，在平衡式电容电桥的第一输入端和第四输入端上叠加相反相位的直流静电驱动电压，调整直流静电驱动电压值以平衡外界加速度大小，计算获得静电压加速度平衡系数K_va(V/g)：

式中，V_D1为平衡+1g加速度所需的直流静电驱动电压，V_D2为平衡-1g加速度所需的直流静电驱动电压，V_preload为预载电压幅值；

步骤4：调整精密转台角度获得0g输入条件，在平衡式电容电桥的第一输入端和第四输入端上叠加相反相位的交流静电驱动信号，扫描交流静电驱动频率，在不同的交流静电驱动频率下测量第一敏感电容与第二敏感电容的差分电容变化，绘制待测MEMS加速度计的幅频特性曲线，根据幅频特性曲线测量待测MEMS加速度计的结构谐振频率和品质因数，进一步根据步骤2测量得到的电容变化灵敏度Sen、步骤3测量得到的静电压加速度平衡系数K_va计算得到待测MEMS电容式加速度计特征参数：质量块的质量m、弹性系数k、阻尼系数b。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明的测量系统利用静电力驱动和频率调制技术可以实现对MEMS电容式加速度计中敏感电容的驱动和检测，利用频率调制解调技术可以实现对不同特征参数的分离提取。

2、本发明的电学测量方法具有简单有效、易于实行的特点，可以快速得出MEMS电容式加速度计的重要特征参数，进而指导后续电路的设计和优化。

3、本发明的电学测量方法以电学测量系统为基础，配合精确的传感器姿态控制，可以准确的实现MEMS电容式加速度计的特征参数的测量。

附图说明

图1为MEMS电容式加速度计敏感结构示意图。

图2为MEMS电容式加速度计特征参数的电学测量系统示意图。

图3为MEMS电容式加速度计特征参数测量方法的流程图。

图4为利用精密转台施加0g外界加速度的示意图。

图5为利用精密转台施加+1g外界加速度的示意图。

图6为利用精密转台施加-1g外界加速度的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，所述MEMS电容式加速度计211由可动质量块120、上固定极板111、下固定极板112、可动极板140、上悬臂梁131、下悬臂梁132构成。所述可动质量块120通过上悬臂梁131与上固定极板111相连，通过下悬臂梁132与下固定极板112相连。所述可动极板140与所述可动质量块120相连。所述上固定极板111与所述可动极板140构成第一敏感电容器C_S1，所述下固定极板112与所述可动极板140构成第二敏感电容器C_S2。当无外界加速度输入时，所述可动极板140与所述上固定极板111、下固定极板112的距离相等，距离大小为d₀，此时所述第一敏感电容器C_S1与第二敏感电容器C_S2大小相等，电容值为结构静态电容C₀。当存在外界加速度输入时，所述可动极板140发生位移x，引起所述第一敏感电容器C_S1与第二敏感电容器C_S2的大小发生差分变化，所述差分变化量为ΔC。所述上悬臂梁131、下悬臂梁132可等效为一对具有弹性系数k的弹簧，当发生位移时，上悬臂梁131、下悬臂梁132将产生阻碍位移的弹力。当可动质量块120运动时还将受到阻尼系数为b的空气阻力。根据力学公式，可以推算出所述电容式加速度计211敏感结构的频率特性H_ms(s)如下：

可见，所述MEMS电容式加速度计211的频率特性表现为一个二阶低通系统，其中：ω₀为所述二阶低通系统的谐振频率，Q为所述二阶低通系统的品质因数，则有：

如图2所示，本发明中所述MEMS电容式加速度计特征参数电学测量系统由平衡式电容电桥210和检测接口电路220两部分构成，其中：

所述平衡式电容电桥210由MEMS电容式加速度计211与第一匹配电容C_ref1、第二匹配电容C_ref2构成。所述电容式加速度计211由第一敏感电容器C_S1与第二敏感电容器C_S2串联构成。所述第一匹配电容C_ref1、第二匹配电容C_ref2分别与所述MEMS电容式加速度计的第一敏感电容C_S1、第二敏感电容C_S2相匹配。所述平衡式电容电桥210具有四个输入端，其中第一输入端212与所述第一敏感电容器C_S1的上极板、第二敏感电容器C_S2的上极板相连；第二输入端213与所述第一敏感电容器C_S1的下极板、第一匹配电容C_ref1的上极板相连；第三输入端214与所述第二敏感电容器C_S2的下极板、第二匹配电容器C_ref2的上极板相连；第四输入端215与所述第一匹配电容C_ref1的下极板、第二匹配电容器C_ref2的下极板相连；所述第一输入端212与第四输入端215用于施加相反相位的电学激励信号，从而构成全差分对称结构，抵消共模分量及噪声干扰；所述第二输入端213与第三输入端214与检测接口电路220相连，用以检测差分电容变化。

所述平衡式电容电桥210具有全差分对称结构，可以有效的抑制共模信号及噪声，一方面提高了系统的信噪比，另一方面减小了所述检测接口电路220中的信号幅度，提高了检测系统的处理范围和线性度。

所述检测接口电路220由第一电荷放大器221、第二电荷放大器222、仪表放大器223、频谱分析仪224、第一反馈电容C_f1、第二反馈电容C_f2构成。所述第一电荷放大器221的负输入端与所述平衡式电容电桥210的第三输入端214相连；所述第一电荷放大器221的正输入端与正预载电压+V_preload相连；所述第一电荷放大器221的输出端与所述仪表放大器223的正输入端相连；所述第一反馈电容C_f1跨接在所述第一电荷放大器221的负输入端与输出端之间。所述第二电荷放大器222的负输入端与所述平衡式电容电桥210的第二输入端213相连；所述第二电荷放大器222的正输入端与负预载电压-V_preload相连；所述第二电荷放大器222的输出端与所述仪表放大器223的负输入端相连；所述第二反馈电容C_f2跨接在所述第二电荷放大器222的负输入端与输出端之间。所述第一电荷放大器221、第二电荷放大器222将所述平衡式电容电桥210的电容变化量检测、放大、转化为电压信号V_o1、V_o2。所述电压信号V_o1、V_o2进一步经过所述仪表放大器223处理，实现对所述电压信号V_o1、V_o2中所包含的差模待测信号的提取及共模干扰信号的抑制，最终得到系统输出信号V_out。所述频谱分析仪224的输入端与所述仪表放大器223的输出端相连，用以对所述系统输出信号V_out进行频谱分析。根据后续分析可知，通过分析所述系统输出信号V_out中与激励信号同频率的信号幅度，可以计算出所述差分变化量为ΔC。通过对所述激励信号的频率进行扫描可以得到所述MEMS电容式加速度计211的幅频特性曲线。

依赖于上述MEMS电容式加速度计特征参数测量系统，本发明提供了一种MEMS电容式加速度计特征参数测量方法，如图3所示，所述测量方法具体步骤如下：

步骤1：将测量系统安装在精密转台上，调整精密转台角度至如图4所示状态，使待测MEMS加速度计的敏感方向与重力方向垂直，获得0g输入条件；在所述平衡式电容电桥210的第一输入端212上施加载波信号V_csin(ω_ct)，在所述平衡式电容电桥210的第四输入端215上施加反向载波信号-V_csin(ω_ct)；所述载波信号的频率ω_c远高于待测MEMS加速度计的响应带宽，所述可动质量块120不受载波信号影响，位移为0。此时通过计算可得所述第一电荷放大器221、第二电荷放大器222的输出电压为：

所述仪表放大器223的输出电压V_out为：

V_out＝V_o1-V_o2 (5)。

调整第一匹配电容C_ref1、第二匹配电容C_ref2分别与第一反馈电容C_f1、第二反馈电容C_f2相等，使第一电荷放大器221、第二电荷放大器222的输出电压V_o1、V_o2幅度最小。此时匹配调整结束，所述平衡式电容电桥210的对称性得到校正，共模信号分量及共模噪声干扰得到有效的抑制，理想状态下只有差模信号进入后级信号处理电路。

步骤2：调整精密转台的角度，改变加速度计倾角，使其敏感方向与重力方向相同，如图5所示，此时待测MEMS加速度计承受+1g加速度输入，引起所述第一敏感电容C_S1与第二敏感电容C_S2发生差分变化，所述差分变化的电容变化量记为ΔC₁，记录此时系统输出信号V_out1。再次调整精密转台的角度，改变加速度计倾角，使其敏感方向与重力方向相反，如图6所示，此时待测MEMS加速度计承受-1g加速度输入，引起所述第一敏感电容C_S1与第二敏感电容C_S2发生相反方向的差分变化，所述差分变化的电容变化量记为ΔC₂,记录此时系统输出信号V_out2。

利用式(4)、式(5)可以根据所述输出信号V_out1、V_out2计算出所述电容变化量ΔC₁、ΔC₂的大小为：

进一步可以计算获得加速度电容变化灵敏度Sen(pF/g)为：

步骤3：调整精密转台的角度，达到如图5所示+1g加速度输入条件，在所述平衡式电容电桥210的第一输入端212上叠加直流静电驱动电压V_D1，在所述平衡式电容电桥210的第四输入端215上叠加反相直流电压-V_D1。此时所述第一输入端212上施加的信号为V_csin(ω_ct)+V_D1，所述第四输入端215上施加的信号为-V_csin(ω_ct)-V_D1，调整直流电压V_D1的大小使所述系统输出信号V_out的幅度最小，记录V_D1。调整精密转台的角度，达到如图6所示-1g加速度输入条件，在所述平衡式电容电桥210的第一输入端212上叠加直流静电驱动电压V_D2，在所述平衡式电容电桥210的第四输入端215上叠加反相直流电压-V_D2。此时所述第一输入端212上施加的信号为V_csin(ω_ct)+V_D2，所述第四输入端215上施加的信号为-V_csin(ω_ct)-V_D2，调整直流电压V_D2的大小使所述系统输出信号V_out的幅度最小，记录V_D2。所述直流静电驱动电压V_D1、V_D2即为平衡+1g、-1g重力加速度时所需的静电电压大小。根据静电力公式可以计算得到静电压加速度平衡系数K_va(V/g)为：

步骤4：调整精密转台的角度，达到如图4所示0g加速度输入条件，在所述平衡式电容电桥210的第一输入端212上叠加交流静电驱动信号V_dsin(ω_dt)，在所述平衡式电容电桥210的第四输入端215上叠加与所述驱动信号反相的信号-V_dsin(ω_dt)。此时所述第一输入端212上施加的信号为V_csin(ω_ct)+V_dsin(ω_dt)，所述第四输入端215上施加的信号为-V_csin(ω_ct)-V_dsin(ω_dt)。所述交流驱动信号的频率ω_d小于待测MEMS加速度计的响应带宽，所述可动质量块120将在所述交流驱动信号的驱动下产生频率为ω_d的受迫振动。进一步的引起所述第一敏感电容与第二敏感电容发生差分变化，根据式(7)、式(8)可以得出所述差分电容变化量ΔC(t)为：

所述差分电容变化量ΔC(t)被所述检测接口电路220检测、放大，进而引起系统最终输出信号V_out(t)为：

利用所述频谱分析仪224对所述系统最终输出信号V_out(t)进行分析，提取出位于载波频率ω_c处的信号幅度并加以记录。所述信号幅度反映了在驱动频率ω_d下待测MEMS加速度计的敏感电容变化量ΔC的大小。进一步扫描所述交流驱动信号频率ω_d，在不同的交流驱动信号ω_d下分别重复测量，统计测量结果，进而可以计算出系统幅频特性曲线。根据所述系统幅频特性曲线，可以计算出待测MEMS加速度计的结构谐振频率ω₀和品质因数Q。进而根据式(2)、式(3)、式(7)、式(8)计算得到待测MEMS电容式加速度计特征参数：质量块的质量m、弹性系数k、阻尼系数b。

Claims (5)

1.一种MEMS电容式加速度计特征参数测量系统，其特征在于所述测量系统包括平衡式电容电桥与检测接口电路两部分，其中：

所述平衡式电容电桥由第一匹配电容C_ref1、第二匹配电容C_ref2和MEMS电容式加速度计构成；

所述MEMS电容式加速度计由第一敏感电容器C_S1与第二敏感电容器C_S2串联构成；

所述平衡式电容电桥具有四个输入端，第一输入端与所述第一敏感电容器C_S1的上极板、第二敏感电容器C_S2的上极板相连；第二输入端与所述第一敏感电容器C_S1的下极板、第一匹配电容C_ref1的上极板相连；第三输入端与所述第二敏感电容器C_S2的下极板、第二匹配电容器C_ref2的上极板相连；第四输入端与所述第一匹配电容C_ref1的下极板、第二匹配电容器C_ref2的下极板相连；

所述检测接口电路由第一电荷放大器、第二电荷放大器、仪表放大器、频谱分析仪、第一反馈电容C_f1、第二反馈电容C_f2构成；

所述第一电荷放大器的负输入端与所述平衡式电容电桥的第三输入端相连；

所述第一电荷放大器的正输入端与正预载电压+V_preload相连；

所述第一电荷放大器的输出端与所述仪表放大器的正输入端相连；

所述第一反馈电容C_f1跨接在所述第一电荷放大器的负输入端与输出端之间；

所述第二电荷放大器的负输入端与所述平衡式电容电桥的第二输入端相连；

所述第二电荷放大器的正输入端与负预载电压-V_preload相连；

所述第二电荷放大器的输出端与所述仪表放大器的负输入端相连；

所述第二反馈电容C_f2跨接在所述第二电荷放大器的负输入端与输出端之间；

所述仪表放大器的输出端与所述频谱分析仪的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的MEMS电容式加速度计特征参数测量系统，其特征在于所述第一匹配电容C_ref1、第二匹配电容C_ref2分别与所述MEMS电容式加速度计的第一敏感电容C_S1、第二敏感电容C_S2相匹配。

3.一种利用权利要求1或2所述测量系统进行MEMS电容式加速度计特征参数测量方法，其特征在于所述测量方法包括以下步骤：

步骤1：将测量系统安装在精密转台上，调整精密转台角度获得0g输入条件；在平衡式电容电桥的第一输入端和第四输入端上施加相反相位的电学激励信号；根据第一电荷放大器、第二电荷放大器的输出电压调整第一匹配电容、第二匹配电容分别与第一反馈电容、第二反馈电容相等，完成测量前校正工作；

步骤2：调整精密转台角度获得±1g输入条件，分别测量第一敏感电容与第二敏感电容的差分变化，计算获得加速度电容变化灵敏度Sen；

步骤3：分别在±1g条件下，在平衡式电容电桥的第一输入端和第四输入端上叠加相反相位的直流静电驱动电压，调整直流静电驱动电压值以平衡外界加速度大小，计算获得静电压加速度平衡系数K_va；

步骤4：调整精密转台角度获得0g输入条件，在平衡式电容电桥的第一输入端和第四输入端上叠加相反相位的交流静电驱动信号，扫描交流静电驱动频率，在不同的交流静电驱动频率下测量第一敏感电容与第二敏感电容的差分电容变化，绘制待测MEMS加速度计的幅频特性曲线，根据幅频特性曲线测量待测MEMS加速度计的结构谐振频率和品质因数，进一步根据步骤2测量得到的电容变化灵敏度Sen、步骤3测量得到的静电压加速度平衡系数K_va计算得到待测MEMS电容式加速度计特征参数：质量块的质量m、弹性系数k、阻尼系数b。

4.根据权利要求3所述MEMS电容式加速度计特征参数测量方法，其特征在于所述加速度电容变化灵敏度Sen的计算公式如下：

式中，ω₀为二阶低通系统的谐振频率，C₀为第一敏感电容C_S1与第二敏感电容C_S2的静态电容，d₀为可动极板与上、下固定极板间的距离，V_out1为+1g输入条件下仪表放大器的输出电压，V_out2为-1g输入条件下仪表放大器的输出电压，C_ref1为第一匹配电容，C_ref2为第二匹配电容，V_c为电学激励信号的幅度。

5.根据权利要求3所述MEMS电容式加速度计特征参数测量方法，其特征在于所述静电压加速度平衡系数K_va的计算公式如下：

式中，V_D1为平衡+1g加速度所需的直流静电驱动电压，V_D2为平衡-1g加速度所需的直流静电驱动电压，V_preload为预载电压幅值。