CN117825749B - 一种三轴加速度传感器处理电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加速度传感器技术领域，提出了一种三轴加速度传感器处理电路，包括：MEMS加速度计敏感结构，感应X、Y和Z三个不同轴向加速度并输出对应电容信号的MEMS加速度计敏感结构；半导体信号处理集成电路，根据每个MEMS加速度计敏感结构输出的电容信号，生成每个轴向对应的加速度值。本发明通过构建单片集成的三轴加速度传感器处理电路，将信号处理电路集成到单一半导体集成电路上，提高了集成度并且降低了制造成本；通过考虑温漂以及元器件硬件误差，以此进行针对每个轴向传感器信号的误差标定修正，提高了检测精度；通过调节MEMS加速度计敏感结构的摆动重心，进而实现高效便捷的调节加速度计的机械灵敏度，提高了加速度传感器的灵敏度适应性。

Description

一种三轴加速度传感器处理电路

技术领域

本发明涉及加速度传感器技术领域，尤其是一种三轴加速度传感器处理电路。

背景技术

三轴加速度计是一种能够测量三个相互垂直的轴（通常为X、Y、Z轴）上加速度的传感器，用于确定物体在空间中的位置、速度和姿态，广泛用于机器人、无人机、车辆、船舶、航空航天等领域。其中，电容式加速度计基于电容原理，利用固定电极间的电容量变化来检测加速度，当被测物体振动时，固定电极间的电容量发生变化，通过测量电容变化推导出物体振动的大小和方向，即可获得加速度值。电容式加速度计因具有高精度、低温度敏感系数、低功耗、宽动态范围以及微机械结构等优点而成为当前国内外的研究热点。

然而，现有三轴加速度计仍具有以下缺陷：

（1）现有三轴加速度计通常配置有三个轴向的加速度感应结构以及每个轴向对应的信号处理电路来实现三个轴向的加速度测量，使得三轴加速度计的体积无法进一步缩小，影响产品集成度和制造成本。

（2）信号处理电路通常受温度影响使得每个轴向输出的传感器信号具有温漂，并且信号处理电路中每个轴向输出的传感器还受到不同元器件自身具有的硬件误差，使得三轴加速度计每个轴向的传感器信号输出受温漂和不同的硬件误差影响，出现零偏误差、Offset误差、线性误差、增益误差以及带宽误差等情况，影响测量数据准确性。

（3）通常加速度计不仅仅是在某一个固定场景下使用，由此导致加速度计的灵敏度需求将会不同；例如，同样的加速度计在不同领域或场景使用时其所需要的灵敏度需求是不同的（路基边坡监测、水利工程大坝监测、建筑物监测、工程施工监测等震动监测场景的振动信号强度差异巨大），又例如，相同领域或场景在不同时段所需要的灵敏度需求是不同的（在建筑物地震或火灾等紧急状态监测时需要较高的灵敏度，在建筑物日常检测等非紧急状态监测时需要较低的灵敏度），现有电容式加速度计无法满足工程中具有的不同灵敏度需求。

（4）电容式加速度计通常采用配置质量块放大加速度作用的响应，由此带动可动电极与固定电极之间的距离发生变化，从而改变两者之间的电容，然而，由于质量块的存在，将会导致加速度计在被配置为针对重力方向的加速度检测时受到重量块自身重力的影响，影响加速度检测的准确性，若采用专门对配置为针对重力方向的加速度检测的加速度计进行去除重力影响的重新标定，又会增大工艺难度以及加速度计分类复杂程度。

因此，如何提供一种集成度、检测精度以及灵敏度适应性更高的加速度传感器，是一个亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述现有技术问题，本发明提供一种三轴加速度传感器处理电路，旨在解决现有技术中三轴加速度传感器的灵敏度满足不了工程需求以及集成度、检测精度不高的问题。

本发明提供了一种三轴加速度传感器处理电路，包括：

三个MEMS加速度计敏感结构，所述三个MEMS加速度计敏感结构被配置为感应X、Y和Z三个不同轴向的加速度，并输出每个轴向的加速度对应的电容信号；

半导体信号处理集成电路，所述半导体信号处理集成电路连接三个不同轴向的MEMS加速度计敏感结构，被配置为根据每个MEMS加速度计敏感结构输出的电容信号，生成每个轴向对应的加速度值；

其中，所述半导体信号处理集成电路，包括：

信号处理模块，所述信号处理模块被配置为将每个轴向的加速度对应的电容信号转换为电压信号，并对所述电压信号进行滤波、放大以及每个轴向电压信号的分时模数转换，生成电压数字信号；

温度检测模块，所述温度检测模块被配置为检测所述半导体信号处理集成电路的温度信息并进行模数转换，生成温度数字信号；

标定信息存储模块，所述标定信息存储模块被配置为存储所述半导体信号处理集成电路的标定信息；

输出控制模块，所述输出控制模块被配置为基于所述温度数字信号和所述标定信息，对每个轴向的电压数字信号进行补偿修正，并根据每个MEMS加速度计敏感结构对应的电压值与加速度转换关系式，生成每个MEMS加速度计敏感结构感应到的加速度值。

可选的，所述输出控制模块，具体包括：

温度补偿值计算单元，所述温度补偿值计算单元被配置为调用温度值与电压温度补偿值映射关系存储表，匹配所述温度数字信号在当前对应的电压温度补偿值；

标定补偿值提取单元，所述标定补偿值提取单元被配置为提取所述标定信息中存储的每个轴向对应的电压标定补偿值；

补偿修正单元，所述补偿修正单元被配置为利用所述电压温度补偿值与所述电压标定补偿值对每个轴向对应的电压数字信号进行电压数字信号的补偿修正。

可选的，所述MEMS加速度计敏感结构，具体包括：

固定电极结构，所述固定电极结构被配置为包括固定基座以及设置于所述固定基座上的若干个第一平行梳状电极板；

摆动电极结构，所述摆动电极结构被配置为包括摆动固定结构、与若干个所述第一平行梳状电极板相互交叉排布的若干个第二平行梳状电极板以及连接所述摆动固定结构与若干个所述第二平行梳状电极板的摆动支撑梁；

其中，若干个所述第二平行梳状电极板跟随摆动支撑梁绕摆动固定结构执行与若干个所述第一平行梳状电极板的往复交错摆动；

其中，所述摆动支撑梁与若干个所述第二平行梳状电极板之间设置有重心调节机构，所述重心调节机构被配置为调节所述摆动电极结构的摆动重心，以使若干个所述第二平行梳状电极板执行与若干个所述第一平行梳状电极板的往复交错摆动时具有不同的摆动灵敏度。

可选的，所述摆动电极结构，其中：

所述摆动固定结构被配置为摆动固定基座，所述摆动支撑梁被配置为弹性支撑梁；

当所述摆动电极结构感应到目标轴向的加速度且若干个所述第二平行梳状电极板被推动至响应方向时，所述弹性支撑梁驱使若干个所述第二平行梳状电极板往所述响应方向对应的复位方向执行与若干个所述第一平行梳状电极板的往复交错摆动。

可选的，所述摆动电极结构，其中：

所述摆动固定结构被配置为摆动固定轴，所述摆动支撑梁被配置为刚性支撑梁，所述摆动固定轴设置有弹性复位件；

当所述摆动电极结构感应到目标轴向的加速度且若干个所述第二平行梳状电极板被推动至响应方向时，所述弹性复位件驱使所述摆动固定轴控制所述刚性支撑梁带动若干个所述第二平行梳状电极板往所述响应方向对应的复位方向执行与若干个所述第一平行梳状电极板的往复交错摆动。

可选的，所述重心调节机构，具体包括：

调节支撑结构，所述调节支撑结构被配置为连接所述摆动支撑梁与若干个所述第二平行梳状电极板；

若干个配重块，所述配重块设置于所述调节支撑结构；

配重块连接件，所述配重块连接件被配置为连接所述调节支撑结构与每个所述配重块；

配重块位置调节件，所述配重块位置调节件被配置为调节若干个配重块在所述调节支撑结构的位置，以调节所述摆动电极结构的摆动重心。

可选的，所述重心调节机构，其中：

所述调节支撑结构设置有每个所述配重块的位置调节空腔，所述配重块连接件被配置为设置于所述位置调节空腔内的弹性臂；

每个所述配重块通过所述弹性臂连接于对应的位置调节空腔内，所述配重块位置调节件被配置为调节每个配重块在对应的位置调节空腔内的位置，以调节所述摆动电极结构的摆动重心。

可选的，所述配重块位置调节件，具体包括：

第一偏置电容电极板和第二偏置电容电极板，所述第一偏置电容电极板被配置于每个配重块的第一位置和第二位置，所述第二偏置电容电极板被配置于每个配重块对应的位置调节空腔内的第三位置和第四位置，且每个配重块对应的第一位置的第一偏置电容电极板和第三位置的第二偏置电容电极板相对设置，第二位置的第一偏置电容电极板和第四位置的第二偏置电容电极板相对设置；

偏置电源，所述偏置电源连接所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板，被配置为向所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板输出偏置电压，以使所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板产生相互作用力调节每个所述配重块在所述位置调节空腔内的位置。

可选的，所述配重块位置调节件，其中：

所述第一位置与所述第三位置满足所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板产生的相互作用力驱使所述配重块在对应的位置调节空腔内往靠近第二平行梳状电极板的方向移动，以调节所述摆动电极结构的摆动重心靠近第二平行梳状电极板；

所述第二位置与所述第四位置满足所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板产生的相互作用力驱使所述配重块在对应的位置调节空腔内往远离第二平行梳状电极板的方向移动，以调节所述摆动电极结构的摆动重心远离第二平行梳状电极板。

可选的，当所述摆动电极结构被配置为所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板产生的相互作用力配重块驱使所述在对应的位置调节空腔内的移动方向为重力方向或重力反方向时，所述偏置电源的输出偏置电压被配置为所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板产生相互作用力抵消所述配重块的重力。

可选的，所述三轴加速度传感器处理电路，还包括：

重心控制模块；

其中，所述重心控制模块被配置为在接收到敏感度需求信息时，提取所述敏感度需求信息中的目标敏感度类别，调用所述敏感度类别与重心调节指令的预设对照表，匹配所述目标敏感度类别对应的重心调节指令并传输至MEMS加速度计敏感结构，以使所述重心调节机构根据所述重心调节指令调节所述摆动电极结构的摆动重心。

本发明的有益效果在于：提出了一种三轴加速度传感器处理电路，通过将信号处理电路集成到单一半导体集成电路上，构建单片集成的三轴加速度传感器处理电路，相比于传统传感器的设计，提高了集成度并且降低了制造成本；同时，通过在三轴加速度传感器中设计用于考虑温漂以及元器件硬件误差的温度检测模块和标定信息存储模块，以此针对每个轴向进行传感器信号的误差标定修正，提高了三轴加速度传感器的测量精度；另外，还通过设置能够调节摆动重心的MEMS加速度计敏感结构，利用重心调节机构调节摆动电极结构上的第二平行梳状电极在摆动时的偏心率，进而实现高效便捷的调节加速度计的机械灵敏度，同时，能够通过重心调节机构消除配重块自身重力对加速度检测的影响，提供了一种集成度、检测精度以及灵敏度适应性更高的加速度传感器方案。

附图说明

图1为实施例中三轴加速度传感器处理电路的原理示意图；

图2为实施例中MEMS加速度计敏感结构的结构示意图；

图3为实施例中重心调节机构的结构示意图；

图4为实施例中配重块被调节至靠近第二梳状平行电极板的结构示意图；

图5为实施例中重心调节的原理示意图。

附图标记：

10-固定基座；20-第一平行梳状电极板；30-摆动固定结构；40-第二平行梳状电极板；50-摆动支撑梁；60-重心调节机构；601-调节支撑结构；602-配重块；603-配重块连接件；604-配重块位置调节件；605-位置调节空腔；70-重心控制模块；80-信号处理模块；90-温度检测模块；100-标定信息存储模块；110-输出控制模块；1000-MEMS加速度计敏感结构；2000-半导体信号处理集成电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参照图1，图1为本发明实施例提供的一种三轴加速度传感器处理电路的原理示意图。

如图1所示，一种三轴加速度传感器处理电路，包括：三个MEMS加速度计敏感结构，所述三个MEMS加速度计敏感结构1000被配置为感应X、Y和Z三个不同轴向的加速度，并输出每个轴向的加速度对应的电容信号；半导体信号处理集成电路2000，所述半导体信号处理集成电路2000连接三个不同轴向的MEMS加速度计敏感结构1000，被配置为根据每个MEMS加速度计敏感结构1000输出的电容信号，生成每个轴向对应的加速度值；其中，所述半导体信号处理集成电路2000，包括：信号处理模块80，所述信号处理模块80被配置为将每个轴向的加速度对应的电容信号转换为电压信号，并对所述电压信号进行滤波、放大以及每个轴向电压信号的分时模数转换，生成电压数字信号；温度检测模块90，所述温度检测模块90被配置为检测所述半导体信号处理集成电路的温度信息并进行模数转换，生成温度数字信号；标定信息存储模块100，所述标定信息存储模块100被配置为存储所述半导体信号处理集成电路的标定信息；输出控制模块110，所述输出控制模块110被配置为基于所述温度数字信号和所述标定信息，对每个轴向的电压数字信号进行补偿修正，并根据每个MEMS加速度计敏感结构对应的电压值与加速度转换关系式，生成每个MEMS加速度计敏感结构感应到的加速度值。

需要说明的是，现有三轴加速度计通常配置有三个轴向的加速度感应结构以及每个轴向对应的信号处理电路来实现三个轴向的加速度测量，使得三轴加速度计的体积无法进一步缩小，影响产品集成度和制造成本。同时，信号处理电路通常受温度影响使得每个轴向输出的传感器信号具有温漂，并且信号处理电路中每个轴向输出的传感器还受到不同元器件自身具有的硬件误差，使得三轴加速度计每个轴向的传感器信号输出受温漂和不同的硬件误差影响，出现零偏误差、Offset误差、线性误差、增益误差以及带宽误差等情况，影响测量数据准确性。为了解决上述问题，本实施例设置包括信号处理模块，温度检测模块、标定信息存储模块和输出控制模块的半导体信号处理集成电路，通过将信号处理电路集成到单一半导体集成电路上，构建单片集成的三轴加速度传感器处理电路，设计每个轴向电压信号的分时模数转换的电路结构，相比于传统传感器的设计，提高了集成度并且降低了制造成本；同时，通过在三轴加速度传感器中设计用于考虑温漂以及元器件硬件误差的温度检测模块和标定信息存储模块，以此针对每个轴向进行传感器信号的误差标定修正，提高了三轴加速度传感器的测量精度。

具体而言，信号处理模块包括用于进行电容转换的电容电压转换电路、用于进行高频噪声滤波的滤波电路、用于放大电压的增益放大电路以及用于模数转换的AD转换电路；在电容电压转换电路中，可为X、Y轴的MEMS加速度计敏感结构配置一个电容转电压电路，对于高性能需求的应用，也可分别为X、Y轴的MEMS加速度计敏感结构配置电容转电压电路，而Z轴的MEMS加速度计敏感结构单独配置一个电容转电压电路，由此，在将MEMS加速度计敏感结构的电容转换为电压的同时，能够对传感器信号进行初步放大；在滤波电路中，分将每个轴向输出的电压信号传输至低通滤波器模块（RC无源滤波电路或有源滤波电路）中，用以滤除块产生的高频噪声；在增益放大电路中，分别为每个轴向的传感器信号输出端分别配置增益放大器模块，用以对三个通道的模拟信号进行进一步的放大；在AD转换电路中，可配置一个分时复用模块，将三个通道的模拟信号分别输入到一个ADC模块中进行模拟信号到数字信号的转换，并进行数字滤波，对于高性能需求的应用，也分别为每个通达配置独立的ADC模块，同时去掉分时复用模块，实现高精度信号转换；对于温度检测模块，采用半导体工艺附带的三极管构成温度传感器以及用于对温度传感器输出进行模数转换的ADC模块，将温度信号转换为数字温度信号。

在优选的实施例中，所述输出控制模块，具体包括：温度补偿值计算单元，所述温度补偿值计算单元被配置为调用温度值与电压温度补偿值映射关系存储表，匹配所述温度数字信号在当前对应的电压温度补偿值；标定补偿值提取单元，所述标定补偿值提取单元被配置为提取所述标定信息中存储的每个轴向对应的电压标定补偿值；补偿修正单元，所述补偿修正单元被配置为利用所述电压温度补偿值与所述电压标定补偿值对每个轴向对应的电压数字信号进行电压数字信号的补偿修正。

本实施例中，考虑温漂以及元器件硬件误差对传感器输出信号的影响，通过设置温度检测模块检测所述半导体信号处理集成电路的温度，利用该温度值在温度值与电压温度补偿值映射关系存储表（该映射关系可通过采集不同温度值下电压偏移值来预先建立）中匹配当前的电压温度补偿值，通过设置标定信息存储模块存储每个轴向对应的电压标定补偿值（该电压标定补偿值可通过在传感器制造完成之后进行针对零偏误差、Offset误差、线性误差、增益误差以及带宽误差中的一种或多种的误差校正标定，获得该传感器与标准传感器的理想电压参数的差值，将该差值作为误差校正补偿对传感器进行标定存储，在使用该传感器时可直接调用电压标定补偿值对输出的电压信号进行校正，获得与标准传感器同样的测量精度），最后，在对每个轴向进行输出信号修正时，基于电压数字信号与电压温度补偿值和电压标定补偿值，即可生成具有较高精度的加速度测量输出信号。

在优选的实施例中，如图2所示，所述MEMS加速度计敏感结构，包括：固定电极结构，所述固定电极结构被配置为包括固定基座10以及设置于所述固定基座10上的若干个第一平行梳状电极板20；摆动电极结构，所述摆动电极结构被配置为包括摆动固定结构30、与若干个所述第一平行梳状电极板20相互交叉排布的若干个第二平行梳状电极板40以及连接所述摆动固定结构30与若干个所述第二平行梳状电极板40的摆动支撑梁50；其中，若干个所述第二平行梳状电极板40跟随摆动支撑梁50绕摆动固定结构30执行与若干个所述第一平行梳状电极板20的往复交错摆动；其中，所述摆动支撑梁50与若干个所述第二平行梳状电极板40之间设置有重心调节机构60，所述重心调节机构60被配置为调节所述摆动电极结构的摆动重心，以使若干个所述第二平行梳状电极板40执行与若干个所述第一平行梳状电极板20的往复交错摆动时具有不同的摆动灵敏度。

需要说明的是，现有电容式加速度计具有以下缺陷：通常加速度计不仅仅是在某一个固定场景下使用，由此导致加速度计的灵敏度需求将会不同，现有电容式加速度计无法满足工程中具有的不同灵敏度需求。为了解决上述问题，本实施例通过在摆动电极结构设置重心调节机构60，利用重心调节机构60调节所述摆动电极结构的摆动重心，使得摆动电极结构上的第二平行梳状电极在摆动时的偏心率可调，进而实现高效便捷的调节加速度计的机械灵敏度，即通过重心调节机构60调节摆动电极结构进行摆动时的偏心率，从而控制摆动电极结构上的若干个第二平行梳状电极与固定电极结构上的若干个第一平行梳状电极的摆动频率与幅度根据加速度传感器的使用场景需求进行适应性调节，使得加速度传感器具有较高的灵敏度适应性，在不同场景以及相同场景的不同使用时段都有较好的灵敏度性能。

在优选的实施例中，感应到加速度的摆动电极结构中的摆动支撑梁50会绕摆动固定结构30摆动，从而驱使连接摆动支撑梁50的若干个第二平行梳状电极与固定电极结构上的若干个第一平行梳状电极往复交错摆动。其中，对于摆动电极结构，本实施例提供如下两种可选结构。

示例性的，所述摆动固定结构30被配置为摆动固定基座10，所述摆动支撑梁50被配置为弹性支撑梁；当摆动电极结构感应到目标轴向的加速度且若干个所述第二平行梳状电极板40被推动至响应方向时，所述弹性支撑梁驱使若干个所述第二平行梳状电极板40往所述响应方向对应的复位方向执行与若干个所述第一平行梳状电极板20的往复交错摆动。

示例性的，所述摆动固定结构30被配置为摆动固定轴，所述摆动支撑梁50被配置为刚性支撑梁，所述摆动固定轴设置有弹性复位件；当所述摆动电极结构感应到目标轴向的加速度且若干个所述第二平行梳状电极板40被推动至响应方向时，所述弹性复位件驱使所述摆动固定轴控制所述刚性支撑梁带动若干个所述第二平行梳状电极板40往所述响应方向对应的复位方向执行与若干个所述第一平行梳状电极板20的往复交错摆动。

本实施例中，通过设置具有弹性的摆动支撑梁50，利用摆动支撑梁50自身的弹性，在感应到目标轴向的加速度时能够驱使若干个所述第二平行梳状电极板40往响应方向对应的复位方向执行往复交错摆动；或通过设置额外的弹性复位件，在感应到目标轴向的加速度时能够利用弹性复位件驱使摆动固定轴控制刚性支撑梁带动若干个第二平行梳状电极板40往响应方向对应的复位方向执行往复交错摆动。其中，响应方向为摆动电极结构感应到目标轴向的加速度后执行摆动动作的响应方向，复位方向为摆动电极结构向响应方向摆动时驱使摆动电极复位的方向。由此，利用弹性结构设置，实现若干个第二平行梳状电极板40与若干个第一平行梳状电极板20之间的往复交错摆动，能够根据摆动频率与幅度的测量来量化目标轴向的加速度值，具有较高的加速度检测准确性与稳定性。

在优选的实施例中，所述重心调节机构60，具体包括：调节支撑结构601，所述调节支撑结构601被配置为连接所述摆动支撑梁50与若干个所述第二平行梳状电极板40；若干个配重块602，所述配重块602设置于所述调节支撑结构601；配重块连接件603，所述配重块连接件603被配置为连接所述调节支撑结构601与每个所述配重块602；配重块位置调节件604，所述配重块位置调节件604被配置为调节若干个配重块602在所述调节支撑结构601的位置，以调节所述摆动电极结构的摆动重心。

本实施例中，如图3所示，摆动电极结构中的重心调节机构60具有连接摆动支撑梁50与若干个第二平行梳状电极板40的调节支撑结构601，该调节支撑结构601设置有通过连接件进行连接的配重块602，同时，配重块602与调节支撑结构601的连接位置通过配重块位置调节件604进行控制。其中，配重块位置调节件604根据用户在不同场景需求下生成的位置调节指令，控制配重块602往靠近第二梳状平行电极板移动调节（摆动电极结构的摆动重心更远，进而使得摆动电极结构在感应到目标轴向相同的加速度时具有更高的加速度检测灵敏度，即能够检测到更小的振动或加速度），或控制配重块602往远离第二梳状平行电极板移动调节（摆动电极结构的摆动重心更近，进而使得摆动电极结构在感应到目标轴向相同的加速度时具有更低的加速度检测灵敏度，即检测更大的振动或加速度时才会有数值响应），由此，能够适应在不同场景的灵敏度需求下的使用需求，提高了加速度传感器在不同场景的适应性。

在优选的实施例中，所述重心调节机构60，其中：所述调节支撑结构601设置有每个所述配重块602的位置调节空腔605，所述配重块连接件603被配置为设置于所述位置调节空腔605内的弹性臂；每个所述配重块602通过所述弹性臂连接于对应的位置调节空腔605内，所述配重块位置调节件604被配置为调节每个配重块602在对应的位置调节空腔605内的位置，以调节所述摆动电极结构的摆动重心。

本实施例中，重心调节机构60中的调节支撑结构601设有每个配重块602的位置调节空腔605，该位置调节空腔605具有配重块602移动的移动路径，该移动路径具有指向靠近第二梳状平行电极和远离第二梳状平行电极的两个方向，在配重块位置调节件604调节配重块602的位置时，配重块602在位置调节空腔605中执行靠近第二梳状平行电极或远离第二梳状平行电极的移动，改变摆动电极结构的摆动重心，调节加速度传感器的检测灵敏度，由此，能够实现高效与精确的加速度传感器灵敏度调节。

在优选的实施例中，所述配重块位置调节件604，具体包括：第一偏置电容电极板和第二偏置电容电极板，所述第一偏置电容电极板被配置于每个配重块602的第一位置和第二位置，所述第二偏置电容电极板被配置于每个配重块602对应的位置调节空腔605内的第三位置和第四位置，且每个配重块602对应的第一位置的第一偏置电容电极板和第三位置的第二偏置电容电极板相对设置，第二位置的第一偏置电容电极板和第四位置的第二偏置电容电极板相对设置；偏置电源，所述偏置电源连接所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板，被配置为向所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板输出偏置电压，以使所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板产生相互作用力调节每个所述配重块602在所述位置调节空腔605内的位置。

其中，所述配重块位置调节件604：所述第一位置与所述第三位置满足所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板产生的相互作用力驱使所述配重块602在对应的位置调节空腔605内往靠近第二平行梳状电极板40的方向移动，以调节所述摆动电极结构的摆动重心靠近第二平行梳状电极板40；所述第二位置与所述第四位置满足所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板产生的相互作用力驱使所述配重块602在对应的位置调节空腔605内往远离第二平行梳状电极板40的方向移动，以调节所述摆动电极结构的摆动重心远离第二平行梳状电极板40。

针对配重块位置调节件604，如图4所示，本实施例中，采用设置于配重块602上靠近第二平行梳状电极板40一侧（即第一位置）的第一偏置电容与设置于位置调节空腔605内与第一偏置电容相对位置（即第三位置）的第二偏置电容之间的电容电极板相互作用力来驱使所述配重块602在对应的位置调节空腔605内往靠近第二平行梳状电极板40的方向移动，以调节所述摆动电极结构的摆动重心靠近第二平行梳状电极板40，以此提高加速度传感器的灵敏度；采用设置于配重块602上远离第二平行梳状电极板40一侧（即第二位置）的第一偏置电容与设置于位置调节空腔605与第一偏置电容相对位置（即第四位置）的第二偏置电容之间的电容电极板相互作用力来驱使所述配重块602在对应的位置调节空腔605内往远离第二平行梳状电极板40的方向移动，以调节所述摆动电极结构的摆动重心远离第二平行梳状电极板40，以此降低加速度传感器的灵敏度。由此，通过偏置电容和偏置电源的设置，实现对配重块602在位置调节空腔605内的精确与高效的调节，由此能够快捷、准确的调节加速度传感器的灵敏度，以适应不同场景下的使用需求。

在优选的实施例中，当所述摆动电极结构被配置为所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板产生的相互作用力配重块602驱使所述在对应的位置调节空腔605内的移动方向为重力方向或重力反方向时，偏置电源的输出偏置电压被配置为所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板产生相互作用力抵消所述配重块602的重力。

需要说明的是，现有电容式加速度计还具有以下缺陷：电容式加速度计通常采用配置质量块放大加速度作用的响应，由此带动可动电极与固定电极之间的距离发生变化，从而改变两者之间的电容，然而，由于质量块的存在，将会导致加速度计在被配置为针对重力方向的加速度检测时受到重量块自身重力的影响，影响加速度检测的准确性。为了解决上述问题，本实施例通过调节偏置电源的输出偏置电压，以控制摆动电极结构中每个配重块602对应的所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板产生相互作用力抵消所述配重块602的重力，具体而言，在加速度传感器被用于检测重力方向的加速度时，由于配重块602自身的重力影响，导致配重块602并不会在复位位置且执行第二平行梳状电极板40的摆动时的摆动幅度和摆动频率也会受到重力影响与监测其他轴向的加速度时不同，本实施例通过将控制偏置电源的输出偏置电压，以使第一偏置电容电极板和第二偏置电容电极板产生的相互作用力指向重力反方向且与配重块602重力大小相同（例如，提供重力方向4倍配重块602重力的第一作用力和重力反方向5倍配重块602重力的第二作用力，来实现对配重块602重力的抵消），由此，保证摆动电极结构在执行摆动时不受到配重块602自身重力的影响，在一定程度上提高了加速度检测的精确度。

在优选的实施例中，如图5所示，所述三轴加速度传感器处理电路，还包括重心控制模块，其中，所述重心控制模块被配置为在接收到敏感度需求信息时，提取所述敏感度需求信息中的目标敏感度类别，调用所述敏感度类别与重心调节指令的预设对照表，匹配所述目标敏感度类别对应的重心调节指令并传输至MEMS加速度计敏感结构，以使所述重心调节机构根据所述重心调节指令调节所述摆动电极结构的摆动重心。

本实施例中，提出了一种灵敏度适应性更高的加速度传感器，为了适应不同场景的敏感度需求，示例性的，可根据需要将加速度传感器预先设定三种工作模式：（1）高精度模式，在该高精度模式下，摆动电极结构中设置的配重块602被调节至更接近第二平行梳状电极板40，使得摆动电极结构的摆动偏心率更高，具有更高的检测敏感度；（2）中精度模式，在该中精度模式下，摆动电极结构中设置的配重块602不受位置调节或被调节至复位状态以抵消配重块602重力影响，使得摆动电极结构的摆动偏心率适中，具有适中的检测敏感度；（3）低精度模式，在该低精度模式下，摆动电极结构中设置的配重块602被调节至更远离第二平行梳状电极板40，使得摆动电极结构的摆动偏心率更低，具有更低的检测灵敏度。由此，通过重心调节指令来实现灵活切换工作模式的组合工作模式配置，使传感器可以适应更多的实际需求和环境条件，拓展了传感器的应用范围，提高了其综合性能。

由此，本实施例提供了一种检测精度以及灵敏度适应性更高的加速度传感器方案，通过在摆动电极结构设置重心调节机构，利用重心调节机构调节所述摆动电极结构的摆动重心，使得摆动电极结构上的第二平行梳状电极在摆动时的偏心率可调，进而实现高效便捷的调节加速度计的机械灵敏度，同时，能够通过重心调节机构消除配重块自身重力对加速度检测的影响，提供了一种检测精度以及灵敏度适应性更高的加速度传感器方案。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“内侧”、“外侧”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。其中，“里侧”是指内部或围起来的区域或空间。“外围”是指某特定部件或特定区域的周围的区域。

在本发明的实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用以描述目的，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”、“第三”、“第四”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。

在本发明的实施例的描述中，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”、“组装”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。

在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“~”表示的是两个数值之间的范围，并且该范围包括端点。例如：“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A~B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。

在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种三轴加速度传感器处理电路，其特征在于，包括：

三个MEMS加速度计敏感结构，所述三个MEMS加速度计敏感结构被配置为感应X、Y和Z三个不同轴向的加速度，并输出每个轴向的加速度对应的电容信号；

半导体信号处理集成电路，所述半导体信号处理集成电路连接三个不同轴向的MEMS加速度计敏感结构，被配置为根据每个MEMS加速度计敏感结构输出的电容信号，生成每个轴向对应的加速度值；

其中，所述半导体信号处理集成电路，包括：

信号处理模块，所述信号处理模块被配置为将每个轴向的加速度对应的电容信号转换为电压信号，并对所述电压信号进行滤波、放大以及每个轴向电压信号的分时模数转换，生成电压数字信号；

温度检测模块，所述温度检测模块被配置为检测所述半导体信号处理集成电路的温度信息并进行模数转换，生成温度数字信号；

标定信息存储模块，所述标定信息存储模块被配置为存储所述半导体信号处理集成电路的标定信息；

输出控制模块，所述输出控制模块被配置为基于所述温度数字信号和所述标定信息，对每个轴向的电压数字信号进行补偿修正，并根据每个MEMS加速度计敏感结构对应的电压值与加速度转换关系式，生成每个MEMS加速度计敏感结构感应到的加速度值；

所述MEMS加速度计敏感结构，具体包括：

固定电极结构，所述固定电极结构被配置为包括固定基座以及设置于所述固定基座上的若干个第一平行梳状电极板；

摆动电极结构，所述摆动电极结构被配置为包括摆动固定结构、与若干个所述第一平行梳状电极板相互交叉排布的若干个第二平行梳状电极板以及连接所述摆动固定结构与若干个所述第二平行梳状电极板的摆动支撑梁；

其中，若干个所述第二平行梳状电极板跟随摆动支撑梁绕摆动固定结构执行与若干个所述第一平行梳状电极板的往复交错摆动；

其中，所述摆动支撑梁与若干个所述第二平行梳状电极板之间设置有重心调节机构，所述重心调节机构被配置为调节所述摆动电极结构的摆动重心，以使若干个所述第二平行梳状电极板执行与若干个所述第一平行梳状电极板的往复交错摆动时具有不同的摆动灵敏度。

2.根据权利要求1所述的三轴加速度传感器处理电路，其特征在于，所述输出控制模块，具体包括：

温度补偿值计算单元，所述温度补偿值计算单元被配置为调用温度值与电压温度补偿值映射关系存储表，匹配所述温度数字信号在当前对应的电压温度补偿值；

标定补偿值提取单元，所述标定补偿值提取单元被配置为提取所述标定信息中存储的每个轴向对应的电压标定补偿值；

补偿修正单元，所述补偿修正单元被配置为利用所述电压温度补偿值与所述电压标定补偿值对每个轴向对应的电压数字信号进行电压数字信号的补偿修正。

3.根据权利要求1所述的三轴加速度传感器处理电路，其特征在于，所述摆动电极结构，其中：

所述摆动固定结构被配置为摆动固定基座，所述摆动支撑梁被配置为弹性支撑梁；

当所述摆动电极结构感应到目标轴向的加速度且若干个所述第二平行梳状电极板被推动至响应方向时，所述弹性支撑梁驱使若干个所述第二平行梳状电极板往所述响应方向对应的复位方向执行与若干个所述第一平行梳状电极板的往复交错摆动。

4.根据权利要求1所述的三轴加速度传感器处理电路，其特征在于，所述摆动电极结构，其中：

所述摆动固定结构被配置为摆动固定轴，所述摆动支撑梁被配置为刚性支撑梁，所述摆动固定轴设置有弹性复位件；

当所述摆动电极结构感应到目标轴向的加速度且若干个所述第二平行梳状电极板被推动至响应方向时，所述弹性复位件驱使所述摆动固定轴控制所述刚性支撑梁带动若干个所述第二平行梳状电极板往所述响应方向对应的复位方向执行与若干个所述第一平行梳状电极板的往复交错摆动。

5.根据权利要求1所述的三轴加速度传感器处理电路，其特征在于，所述重心调节机构，具体包括：

调节支撑结构，所述调节支撑结构被配置为连接所述摆动支撑梁与若干个所述第二平行梳状电极板；

若干个配重块，所述配重块设置于所述调节支撑结构；

配重块连接件，所述配重块连接件被配置为连接所述调节支撑结构与每个所述配重块；

配重块位置调节件，所述配重块位置调节件被配置为调节若干个配重块在所述调节支撑结构的位置，以调节所述摆动电极结构的摆动重心。

6.根据权利要求5所述的三轴加速度传感器处理电路，其特征在于，所述重心调节机构，其中：

所述调节支撑结构设置有每个所述配重块的位置调节空腔，所述配重块连接件被配置为设置于所述位置调节空腔内的弹性臂；

每个所述配重块通过所述弹性臂连接于对应的位置调节空腔内，所述配重块位置调节件被配置为调节每个配重块在对应的位置调节空腔内的位置，以调节所述摆动电极结构的摆动重心。

7.根据权利要求6所述的三轴加速度传感器处理电路，其特征在于，所述配重块位置调节件，具体包括：

第一偏置电容电极板和第二偏置电容电极板，所述第一偏置电容电极板被配置于每个配重块的第一位置和第二位置，所述第二偏置电容电极板被配置于每个配重块对应的位置调节空腔内的第三位置和第四位置，且每个配重块对应的第一位置的第一偏置电容电极板和第三位置的第二偏置电容电极板相对设置，第二位置的第一偏置电容电极板和第四位置的第二偏置电容电极板相对设置；

偏置电源，所述偏置电源连接所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板，被配置为向所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板输出偏置电压，以使所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板产生相互作用力调节每个所述配重块在所述位置调节空腔内的位置；其中：

所述第一位置与所述第三位置满足所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板产生的相互作用力驱使所述配重块在对应的位置调节空腔内往靠近第二平行梳状电极板的方向移动，以调节所述摆动电极结构的摆动重心靠近第二平行梳状电极板；

所述第二位置与所述第四位置满足所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板产生的相互作用力驱使所述配重块在对应的位置调节空腔内往远离第二平行梳状电极板的方向移动，以调节所述摆动电极结构的摆动重心远离第二平行梳状电极板。

8.根据权利要求7所述的三轴加速度传感器处理电路，其特征在于，当所述摆动电极结构被配置为所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板产生的相互作用力配重块驱使所述在对应的位置调节空腔内的移动方向为重力方向或重力反方向时，所述偏置电源的输出偏置电压被配置为所述第一偏置电容电极板和所述第二偏置电容电极板产生相互作用力抵消所述配重块的重力。

9.根据权利要求1所述的三轴加速度传感器处理电路，其特征在于，还包括：

重心控制模块；

其中，所述重心控制模块被配置为在接收到敏感度需求信息时，提取所述敏感度需求信息中的目标敏感度类别，调用敏感度类别与重心调节指令的预设对照表，匹配所述目标敏感度类别对应的重心调节指令并传输至MEMS加速度计敏感结构，以使所述重心调节机构根据所述重心调节指令调节所述摆动电极结构的摆动重心。