CN111157761B - 一种温度自补偿的面内双轴加速度传感器及温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度自补偿的面内双轴加速度传感器及温度补偿方法，包括质量块，质量块的周围呈中心对称均匀布置有多组谐振敏感元件，当面内任意方向、任意大小的加速度施加于器件时，质量块同时对多组谐振敏感元件施加应力，改变其本征频率，谐振频率分别由对应的实时频率读取电路读出。本发明相比于传统的差分式单轴加速度传感器，在测量精度、灵敏度、测试量程等方面都具有独特的优势。本发明提供的温度补偿方法，除了消除温度带来的系统误差之外，还可额外提供当前的温度值信息。

Description

一种温度自补偿的面内双轴加速度传感器及温度补偿方法

技术领域

本发明属于加速度检测技术领域，具体涉及一种温度自补偿的面内双轴加速度传感器及温度补偿方法。

背景技术

在“中国制造2025”的今天，超高精度加速度计的需求量日益加剧。硅基MEMS谐振式加速度计自其诞生以来，一直以其优秀的灵敏度、稳定性、高集成性，受到了各国研究者的青睐和重视。

随着加速度传感器应用领域的扩大，多轴加速度的同时测量需求日益突出。如地震波检测、无人驾驶汽车、无人飞行器等，均需要同时测量至少两个方向的加速度，才能保证系统的稳定工作。目前主流的多轴加速度传感器方案有两种：一是将多组加速度传感器正交布置，实现各方向加速度的分别测量，但这将大大增加系统体积和功耗；二是在器件层面设计正交布置的敏感元件，这样虽然减少了体积，但仍存在传感器“死区”和交叉敏感现象，降低了传感器性能。

此外，由于硅材料自身杨氏模量随外界环境影响较大，硅微传感器表头读数的温度漂移效应明显，所以对外界温度的补偿也是MEMS传感器领域的研究热点。主流的温度补偿方案有两种：一是主动式温度补偿，利用精密热电偶和加热片，实现传感器周围温度的恒定，其缺点是系统体积大、功耗高，不适用于小型传感器；二是被动式温度补偿，在敏感元件旁边布置电桥或相同的敏感元件，采用差分的方式消除一阶温度系数的影响，但这种方法未能考虑硅材料热膨胀效应带来的示数漂移，效果不理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种温度自补偿的面内双轴加速度传感器及温度补偿方法，利用矩阵计算，实现X、Y平面内任意方向、任意大小的双轴加速度测量，同时借助加速度传感器自身的输出，大幅削弱硅材料一阶温度系数和热膨胀的影响。

本发明采用以下技术方案：

一种温度自补偿的面内双轴加速度传感器，包括质量块，质量块的周围呈中心对称均匀布置有多组谐振敏感元件，当面内任意方向、任意大小的加速度施加于器件时，质量块同时对多组谐振敏感元件施加应力，改变其本征频率，谐振频率分别由对应的实时频率读取电路读出。

具体的，实时频率读取电路包括锁相环电路和频率读取模块，锁相环电路与各组谐振敏感元件构成自激振荡电路，且自激振荡频率为各谐振敏感元件的本征频率，频率读取模块能够实时读取该本征频率并输出。

进一步的，质量块呈六边形结构，谐振敏感元件包括三个，相位角相差120度设置。

进一步的，质量块呈六边形结构，谐振敏感元件包括第一谐振敏感元件、第二谐振敏感元件、第三谐振敏感元件、第四谐振敏感元件、第五谐振敏感元件和第六谐振敏感元件，第一谐振敏感元件、第二谐振敏感元件和第三谐振敏感元件的相位角相差120度设置，第四谐振敏感元件、第五谐振敏感元件和第六谐振敏感元件设置在第一谐振敏感元件、第二谐振敏感元件和第三谐振敏感元件的180度中心对称方向。

本发明的另一个技术方案是，一种温度补偿方法，包括以下步骤：

S1、对权利要求1至4中任一项所述的温度自补偿的面内双轴加速度传感器进行重力场翻转实验标定，测得谐振敏感元件在不受重力时的本征频率及标度因子；

S2、将温度自补偿的面内双轴加速度传感器置于工作环境，用多个独立的实时频率读取电路分别测量对应的表头示数；

S3、对步骤S2获取的表头示数进行矩阵演算，求得此时面内加速度的方向和大小；

S4、当外界条件变化时，进入下一个测量周期。

具体的，步骤S3中，演算矩阵为：

其中，f₁，f₂和f₃分别为三个谐振敏感元件的表头示数，ξ₁，ξ₂和ξ₃分别为三个晶向硅材料的温度系数，未知量T为当前环境温度，a为所受加速度的大小，θ为所受加速度的方向。

具体的，步骤S3中，通过矩阵系数优化和传感器标定，消除高阶温度系数的影响，同时求得此刻的环境温度。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种温度自补偿的面内双轴加速度传感器，通过中心对称布置的敏感元件综合计算加速度值，实现灵敏度均匀的面内加速度测量，消除了传感器死区，同时非正交布置的谐振敏感元件避免了相互之间明显的交叉敏感现象；借助矩阵运算，本发明消除了一阶环境温度带来的影响，同时由于质量块膨胀后对三个敏感元件的应力方向相同，矩阵运算中可直接将热膨胀系数一并差分消除。

进一步的，基于锁相环电路的实时频率读取电路可以实现对三个谐振音叉频率的无延时读取，由于其较高的采样频率，取得的数据可以进行滤波处理，实现随机误差的进一步减小。

进一步的，三个谐振敏感元件采用中心对称的均匀布置方式，在加速度矢量解耦时可以保证均匀的灵敏度，同时消除一定的温度系数的影响。

进一步的，将三个谐振敏感元件扩充至六个谐振敏感元件，可以将对称布置的音叉频率值相减，形成标度因子倍增、一阶温度系数进一步消除的独特优势。

一种温度补偿方法，不同于以往报道的主动式温度补偿，无需外界电路的干预，单纯利用特有的结构和传感器自身的输出即可完成温度补偿；相比于传统的双轴差分式温度补偿，本发明由于采用了特有的三相布置方式，可以降低被动温度补偿带来的系统误差，同时额外提供了灵敏度均匀的双轴加速度测量。

进一步的，由于本发明共有三个或三对谐振敏感元件，因此，在完成标定实验后，可以直接根据矩阵计算得到此刻的环境温度，作为温度传感器使用。

综上所述，本发明方法相比于传统的差分式单轴加速度传感器，在测量精度、灵敏度、测试量程等方面都具有独特的优势。本发明提供的温度补偿方法，除了消除温度带来的系统误差之外，还可额外提供当前的温度值信息。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的面内加速度解耦仿真图；

图3本发明的谐振敏感元件实时频率读取电路图；

图4为本发明的面内加速度测量及温度补偿方；

图5为本发明的改进结构示意图。

其中：1.第一谐振敏感元件；2.第二谐振敏感元件；3.第三谐振敏感元件；4.质量块；5.锁相环电路；6.频率读取模块；7.第四谐振敏感元件；8.第五谐振敏感元件；9.第六谐振敏感元件。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种温度自补偿的面内双轴加速度传感器，将多组谐振敏感元件在质量块周围呈中心对称均匀布置，通过基于锁相环的频率自跟随读取电路记录传感器表头输出，并利用补偿矩阵推演得到当前的加速度大小、方向及环境温度，不仅实现了双轴加速度的精确测量，还消除了硅材料一阶温度系数和热膨胀带来的不利影响，有效抑制了传感器死区和交叉敏感。

请参阅图1，本发明一种温度自补偿的面内双轴加速度传感器，包括第一谐振敏感元件1、第二谐振敏感元件2、第三谐振敏感元件3和质量块4，质量块4呈六边形，第一谐振敏感元件1、第二谐振敏感元件2和第三谐振敏感元件3呈中心对称布置于质量块4的周围，相位角相差120度。

当面内任意方向、任意大小的加速度施加于器件时，质量块4同时对第一谐振敏感元件1，第二谐振敏感元件2和第三谐振敏感元件3施加应力，改变其本征频率，谐振频率分别由三个实时频率读取电路读出，在任意温度下，针对面内任意方向、任意大小的加速度，三个谐振敏感元件都会做出相应的频率变化，通过矩阵解耦计算即可进行反演，如图2所示。

请参阅图3，实时频率读取电路包括锁相环电路5和频率读取模块6，锁相环电路5与各个谐振敏感元件构成自激振荡电路，且自激振荡频率为各谐振敏感元件的本征频率，频率读取模块6能够实时读取该本征频率并输出。

优选的，在现有的第一谐振敏感元件1、第二谐振敏感元件2和第三谐振敏感元件3的180度中心对称方向上再布置相同结构的第四谐振敏感元件7、第五谐振敏感元件8和第六谐振敏感元件9，如图5所示。

以第一谐振敏感元件1和第四谐振敏感元件7为例，二者位于单晶硅晶圆的同一晶向上，具有相同的温度系数和杨氏模量，受到相同加速度时，会产生等大反向的频率变化，将二者的频率进行直接差分，可以进一步消除部分温度系数和热膨胀带来的影响。

本发明的工作原理为：

通过中心对称布置的敏感元件综合计算加速度值，实现灵敏度均匀的面内加速度测量，消除了传感器死区，同时非正交布置的谐振敏感元件避免了相互之间明显的交叉敏感现象；通过与传感器相配套的矩阵推演运算，消除了一阶环境温度带来的影响，同时由于质量块膨胀后对三个敏感元件的应力方向相同，矩阵运算中可直接将热膨胀系数一并差分消除。

请参阅图4，一种基于面内双轴加速度传感器进行温度补偿的方法，包括以下步骤：

S1、对传感器进行重力场翻转实验标定，测得第一谐振敏感元件1，第二谐振敏感元件2和第三谐振敏感元件3在不受重力时的本征频率f₀₁，f₀₂和f₀₃，及标度因子SF₁，SF₂和SF₃；

S2、将传感器置于工作环境，用三个独立的实时频率读取电路分别测量三个表头示数；

S3、对三个表头示数进行矩阵演算，进而求得此时面内加速度的方向和大小，该计算结果同时消除了硅材料一阶温度系数和热膨胀的影响。通过矩阵系数优化和进一步的传感器标定，还可消除高阶温度系数的影响，同时求得此刻的环境温度；

演算矩阵为：

其中，f₁，f₂和f₃分别为三个谐振敏感元件的表头示数，ξ₁，ξ₂和ξ₃分别为三个晶向硅材料的温度系数，未知量T为当前环境温度，a为所受加速度的大小，θ为所受加速度的方向，通过矩阵直接求解，即可得目前的温度和加速度的所有信息。

S4、当外界条件变化时，三个表头示数也发生变化，进入下一个测量周期。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对温度自补偿的面内双轴加速度传感器进行重力场翻转实验标定，测得第一谐振敏感元件(1)，第二谐振敏感元件(2)和第三谐振敏感元件(3)在不受重力时的本征频率f₀₁，f₀₂和f₀₃，及标度因子SF₁，SF₂和SF₃；

温度自补偿的面内双轴加速度传感器包括质量块(4)，质量块(4)的周围呈中心对称均匀布置有多组谐振敏感元件，当面内任意方向、任意大小的加速度施加于器件时，质量块(4)同时对多组谐振敏感元件施加应力，改变其本征频率，谐振频率分别由对应的实时频率读取电路读出，实时频率读取电路包括锁相环电路(5)和频率读取模块(6)，锁相环电路(5)与各组谐振敏感元件构成自激振荡电路，且自激振荡频率为各谐振敏感元件的本征频率，频率读取模块(6)能够实时读取该本征频率并输出，质量块(4)呈六边形结构，谐振敏感元件包括三个，相位角相差120度设置；

S2、将温度自补偿的面内双轴加速度传感器置于工作环境，用多个独立的实时频率读取电路分别测量对应的表头示数；

S3、对步骤S2获取的表头示数进行矩阵演算，求得此时面内加速度的方向和大小；

S4、当外界条件变化时，进入下一个测量周期。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，加速度传感器中，质量块(4)呈六边形结构，谐振敏感元件包括第一谐振敏感元件(1)、第二谐振敏感元件(2)、第三谐振敏感元件(3)、第四谐振敏感元件(7)、第五谐振敏感元件(8)和第六谐振敏感元件(9)，第一谐振敏感元件(1)、第二谐振敏感元件(2)和第三谐振敏感元件(3)的相位角相差120度设置，第四谐振敏感元件(7)、第五谐振敏感元件(8)和第六谐振敏感元件(9)设置在第一谐振敏感元件(1)、第二谐振敏感元件(2)和第三谐振敏感元件(3)的180度中心对称方向。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，演算矩阵为：

其中，f₁，f₂和f₃分别为三个谐振敏感元件的表头示数，ξ₁，ξ₂和ξ₃分别为三个晶向硅材料的温度系数，未知量T为当前环境温度，a为所受加速度的大小，θ为所受加速度的方向。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，通过矩阵系数优化和传感器标定，消除高阶温度系数的影响，同时求得此刻的环境温度。

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