[发明专利]一种新型高精度MEMS加速度计

说明书

技术领域

本发明涉及电容式惯性传感器，特别涉及MEMS(Micro Electro Mechanical System)速度计数字伺服电路。

背景技术

电容式惯性传感器一般包括加速度传感器和陀螺仪等惯性传感器，由这些惯性传感器实时测量运载体相对于地面运动的加速度等参数，以确定运载体的位置和地球重力场参数，并将被测量的变化转化为电容的变化。

下面以MEMS(Micro Electro Mechanical System)电容式惯性传感器为例进行介绍。

随着MEMS(Micro Electro Mechanical System)技术的日益成熟，MEMS电容式惯性传感器由于具有体积小、灵敏度高、直流特性稳定、漂移小、功耗低、温度系数小等优点被广泛的运用，然而MEMS电容式惯性传感器的电容变化小，所以要求MEMS电容式惯性传感器伺服电路具有精度高，线性度好，动态范围大等特性。

现有MEMS电容式惯性传感器伺服电路从结构分为闭环结构和开环结构两种，从输出信号分为模拟信号输出和数字信号输出。开环结构的电容式惯性传感器伺服电路在线性度和测量量程以及动态范围等受到制约；闭环实现方案分为两种，一种是基于模拟闭环负反馈方案(其中，采用“ADC+DSP+DAC”奈奎斯特采样率下进行运算仍然属于类似的方案)，基于模拟闭环负反馈技术的方案在现有的技术文献中介绍很多，这里不再赘述，模拟闭环负反馈存在的问题如：静电负刚度问题、动态测量精度问题、温度稳定性问题、无法实现高精度数字量化问题等等都可以很好的通过基于sigma-delta的数字闭环方案去解决，基于sigma-delta闭环负反馈技术，实现数字化输出的同时，采用过采样实现了噪声整形，此外，采用过采样深度负反馈技术，使得活动质量块位移几乎为零，实现了很好的线性度和良好的动态特性。

以下从sigma-delta modulator MEMS全闭环加速度计技术领域，对现有技术进行分析：

现有技术1：现有MEMS电容式惯性传感器数字闭环伺服电路被最广泛运用的结构是单量化器1位反馈sigma-delta调制器(参见图2)。它包含读出放大电路，环路滤波器，比较器和1位力反馈控制信号发生器。其中读出放大电路将电容式惯性传感器电容的变化转换为电压的变化；环路滤波器将读出放大电路的输出信号进行处理，实现噪声的整形和整个闭环回路的稳定；比较器将环路滤波器的输出信号量化成1位的数字信号输出，以便于后续处理，同时输入给1位力反馈控制信号发生器；1位力反馈控制信号发生器产生力反馈控制信号。整个闭环回路实现对MEMS电容式惯性传感器的检测，并且数字化输出。这个结构的MEMS电容式惯性传感器数字闭环伺服电路存在以下一些缺点：

由于单量化器1位反馈sigma-delta调制器中的环路滤波器是用模拟电路实现的，而环路滤波器对数字闭环伺服电路的稳定性和噪声整形效果至关重要，所以对环路滤波器的参数精确性和匹配性要求高。然而由于MEMS制造工艺的复杂性和特殊性，MEMS电容式惯性传感器自身参数的准确性较差，分散性大，往往导致原本匹配好的环路滤波器变的不匹配，轻者导致数字闭环伺服电路性能下降，重者导致数字闭环伺服电路不稳定，无法正常工作；用模拟电路实现的环路滤波器由于集成电路加工的误差和寄生效应的存在，导致环路滤波器的参数精确性比较差，难于准确控制。

此外，采用全模拟方案无法实现信号的数字处理于补偿，无法处理外部干扰信号的影响，如噪声、温度等。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度，数字输出，并具有噪声抑制能力的高精度MEMS加速度计。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种MEMS加速度计，所述MEMS加速度计包括：

MEMS敏感单元，所述MEMS敏感单元用于感受加速度信号，将所述加速度信号转化为惯性力成为MEMS敏感单元输出信号；

读出装置，所述读出装置将所述MEMS敏感单元输出信号转化为脉冲产生装置可识别的输入信号；

脉冲产生装置，所述脉冲产生装置将所述输入信号进行信号估计、控制算法转换、数字量化得到量化的比特流信号，所述量化的比特流信号经转化为静电力用于平衡所述惯性力。

进一步地，所述脉冲产生装置包括信号估计单元、控制算法单元、数字量化单元。

进一步地，所述信号估计单元对所述输入信号进行预处理和真实值估计，并将估计后的信号输出给所述控制算法单元。