[发明专利]一种MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法及系统

说明书

本发明涉及MEMS惯性器件领域，具体涉及一种MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法及系统，在不进行额外的非补偿的情况下，通过计算闭环控制量，计算出施加至上极板的上极板电压Usubgt;T/subgt;和施加至下极板的下极板电压Usubgt;B/subgt;；通过施加电压产生的静电力抵消质量块在加速度作用下敏感到的惯性力，并根据闭环控制量计算加速度测量值，在减小运算量的同时，提升了闭环电容式加速度计的线性度，进一步提升了闭环电容式加速度计的性能。

技术领域

本发明涉及MEMS惯性器件领域，具体涉及一种MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法及系统。

背景技术

MEMS电容式加速度计是MEMS技术在惯性器件领域的典型应用之一，MEMS电容式加速度计是将MEMS的微型制造技术和检测技术应用于加速度检测的器件，它的低成本、小体积等优点使其在二十世纪九十年代后广泛应用于汽车、智能手机为代表的消费电子设备中，同时也在工业生产、航天航空和国防军工等领域发挥着重要作用。

MEMS闭环变间距差分电容式加速度计是MEMS电容式加速度计的一种高性能产品，其以闭环控制来改善开环结构中存在的非线性度高、灵敏度与量程无法兼得等问题，促进MEMS电容式加速度计性能一步提升到战术级。但在引入闭环控制的过程中，由于MEMS结构加工误差及检测电路的不对称性，适用于理论情况的闭环控制方法在实际应用时会引入新的非线性量。公告号为CN105008935A的中国发明专利，公开了“具有静电摆式加速度计的传感器以及控制这种传感器的方法”，这种敏感结构为三明治的加速度计通过在上电容极板或下电容极板施加静反馈电压获得与正负方向惯性力所抵消的静电力实现闭环控制，这种闭环控制会由于上下电容极板及检测的不对称而产生正负方向加速度检测的灵敏度不统一，从而产生非线性项；公告号为CN108344881A的中国发明专利，公开了“一种闭环微加速度计的敏感结构”，这种敏感结构为三明治的加速度计的闭环控制方法为中间电极电压固定，在上下电极上施加大小相同、符号相反的电压，这种闭环控制会由于上下电容极板及检测的不对称而直接产生非线性项。

因此，亟需一种新的闭环控制方法以提升MEMS电容式加速度计的线性度，进而提升加速度计性能。

发明内容

本发明针对现有的闭关控制方法对MEMS电容式加速度计的线性度提升不足的问题，提出一种MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法及系统，在不进行额外的非线性补偿的情况下，通过计算闭环控制量，计算出施加至上极板的电压U_T和施加至下极板的电压U_B；通过施加电压产生的静电力消除质量块在加速度作用下产生的惯性力，计算加速度测量值，在减小运算量的同时，提升了闭环电容式加速度计的线性度，进一步提升闭环电容式加速度计的性能。

本发明具体实现内容如下：

一种MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法，用于消除闭环电容式加速度计在惯性力作用下敏感的惯性力；方法包括以下步骤：

步骤1：生成载波信号，并将所述载波信号和输入闭环电容式加速度计的加速度信号调制为电容变化信号；

步骤2：将所述电容变化信号解调为差分模拟电压信号，并将所述差分模拟电压信号转换为差分数字电压信号；

步骤3：根据所述差分数字电压信号生成闭环控制所需的闭环控制量，并根据所述闭环控制量计算施加至所述上极板的上极板电压U_T和施加至所述下极板的下极板电压U_B；

步骤4：根据施加至所述上极板的上极板电压U_T和施加至所述下极板的下极板电压UB产生的静电力消除所述闭环电容式加速度计的质量块在加速度下敏感到的惯性力，并根据所述闭环控制量计算加速度测量值。