[发明专利]一种闭环微机械加速度计反馈方法

说明书

技术领域

本发明涉及微机械系统中的惯性器件领域，尤其涉及一种闭环微机械加速度计反馈方法。

背景技术

微机械系统（MEMS）技术是利用微细加工工艺技术进行微纳米级别加工的先进制造技术。利用MEMS技术可以在硅片和其他材料的物体上加工出具有特定形状的微结构，从而获得不同的用途。MEMS技术的特点在于可以成批的制造出微小尺寸的器件，通常在毫米级别以下，并具有较好的一致性。批量生产可以大大减小成本，尺寸小使得其重量轻，占用体积小。当MEMS制造出的器件与外围器件和设备形成微机械系统的时候，又具有耗能低，耐用性好等诸多特点。

在惯性导航领域，传统的惯性器件包括加速度计和陀螺仪，这些器件普遍体积、成本、价格很高，不利于大规模生产制造与使用。利用MEMS技术，可以弥补这些缺陷。目前国际上利用MEMS技术制造的加速度计和陀螺仪已经进入商用阶段，并取得了巨大的市场份额和销售前景，在手持与可携带电子设备上得到了广泛的应用。然而，商用MEMS加速度计的性能较为粗糙，而高性能的MEMS加速度计目前仍然十分欠缺，包括先进科学研究与探测、军事武器装备、航空航天等多个领域对该类型的加速度计均具有强烈和广泛的需求。

目前在国际科研界，闭环式加速度计是最受欢迎的一类加速度计。这类加速度计通常具备较大的环路增益，能提拱很好的噪声抑制能力和动态特性。但是，现有报道的闭环加速度计,一种方法是将低频段的模拟反馈信号和直流处的模拟参考信号直接进行相加减，分别获得模拟反馈信号与模拟参考信号相加得到的和电压，以及模拟反馈信号与模拟参考信号相减得到的差电压。和电压与差电压分别加载到微机械加速度计左差分电极和右差分电极上，从而实现反馈，这种方式引入了较大的低频噪声。而另一种微机械加速度计的反馈方式，则是进行脉冲密度调制（PDM）式的反馈。这种方法利用数字反馈信号控制输出的脉冲式反馈电压的单位时间密度，脉冲式反馈电压直接加载到单边差分电极上，即只加载左差分电极或者只加载右差分电极，从而实现对微机械加速度计的反馈控制。该方法实现手段复杂，对系统采样率依赖较高，不能改变反馈增益，并且通常也会引入直流附近的噪声。

基于这些限制，我们提出了一种闭环微机械加速度计反馈方法，可以在获得较大的闭环灵敏度的同时使得闭环输出噪声较小。

发明内容

本发明的目的是针对目前闭环电容式MEMS加速度计存在的一些问题，提供一种闭环微机械加速度计反馈方法。

闭环微机械加速度计反馈方法的步骤如下：

（1）采用闭环微机械加速度计反馈装置，它包括微机械加速度计器件、反馈电路，反馈电路前端产生反馈信号和参考信号，反馈信号和参考信号都已经被调制到角频率为ω_c的载波上，即反馈信号V_fb为参考信号V_ref为V_ref0cos(ω_ct+θ)，其中，为反馈信号载波相位参数，θ为参考信号载波相位参数，V_fb0为反馈信号被调制部分，V_ref0为参考信号被调制部分，t为参考信号和反馈信号的时间，ω_c为载波的角频率，ω_c大于电路的1/f噪声的转折频率和微机械加速度计器件的固有谐振频率，反馈电路后端中，反馈信号和参考信号同相相加后通过高通滤波器滤除低频噪声最终生成左反馈差分电极电压V₁或右反馈差分电极电压V₂，反馈信号和参考信号反相相加后通过高通滤波器滤除低频噪声最终形成右反馈差分电极电压V₂或左反馈差分电极电压V₁；

（2）左反馈差分电极电压V₁和右反馈差分电极电压V₂分别加载到微机械加速度计器件的左反馈差分电极和右反馈差分电极上，分别产生左反馈静电力和右反馈静电力，左反馈静电力和右反馈静电力之和F_t为：

其中ΔC为微机械加速度计器件的电容变化量，为ω_c二次频部分被微机械加速度计器件滤除，为反馈静电合力用于抵消外界惯性力，反馈静电合力所携带的噪声为反馈电路的ω_c频率附近的噪声，而电路的低频噪声在上述处理过程中被滤除；

（3）通过改变参考信号载波相位参数θ和反馈信号载波相位参数使反馈增益减小，进而增大闭环微机械加速度计的灵敏度，可以降低反馈静电合力引入的等效加速度噪声。