本實(shí)用新型屬于加速度測量領(lǐng)域，尤其涉及一種雙電容式微機(jī)械加速度傳感器及基于該傳感器的溫度自補(bǔ)償系統(tǒng)，對電容式微機(jī)械加速度傳感器的溫漂性能進(jìn)行優(yōu)化和改善。

背景技術(shù)：

電容式微機(jī)械加速度傳感器敏感外界的加速度信號，并將加速度信號轉(zhuǎn)換為差分電容的變化，通過差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路將差分電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號，并經(jīng)后級的處理電路即可得到輸入加速度信號的大小，從而實(shí)現(xiàn)對加速度的檢測。

由于電容式微機(jī)械加速度傳感器的關(guān)鍵單元是電容，當(dāng)溫度改變時，電容的結(jié)構(gòu)尺寸、環(huán)境中的介電常數(shù)、結(jié)構(gòu)中的熱致應(yīng)力和殘余應(yīng)力等均會發(fā)生變化，從而引起電容的容值發(fā)生改變，即加速度計(jì)輸出信號的變化，影響加速度計(jì)對真實(shí)加速度信號的檢測。因此，為了降低溫度對電容式微機(jī)械加速度傳感器輸出信號的影響，就需要采用有效的溫度補(bǔ)償方法來提高電容式微機(jī)械加速度傳感器的溫度穩(wěn)定性。

現(xiàn)有的提高電容式微機(jī)械加速度傳感器溫度穩(wěn)定性的方法包括控制加速度傳感器的工作溫度、利用溫度傳感器測得加速度傳感器的工作溫度并采用公式擬合或模型估計(jì)的方法建立零偏和靈敏度的溫漂補(bǔ)償模型、從加速度傳感器的結(jié)構(gòu)和工藝上進(jìn)行優(yōu)化等多種方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種新的雙電容式微機(jī)械加速度傳感器及基于該雙電容式微機(jī)械加速度傳感器的溫度自補(bǔ)償系統(tǒng)，通過合理設(shè)計(jì)雙電容式微機(jī)械加速度傳感器的尺寸參數(shù)和后級處理電路的增益，能夠在保證系統(tǒng)靈敏度的同時消除溫度對系統(tǒng)輸出端信號的影響。

本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是提供一種雙電容式微機(jī)械加速度傳感器，其特殊之處在于：包括柵極單元和固定鋁電極單元，上述柵極單元包括N個寬柵極以及與寬柵極數(shù)量相等的窄柵極；上述固定鋁電極單元包括2N個寬固定鋁電極以及與寬固定鋁電極數(shù)量相等的窄固定鋁電極；N大于等于1；

上述寬柵極的極板寬度大于窄柵極；

上述寬固定鋁電極的極板寬度大于窄固定鋁電極；

寬柵極與相對應(yīng)兩個寬固定鋁電極構(gòu)成第一電容，窄柵極與相對應(yīng)兩個窄固定鋁電極構(gòu)成第二電容；

寬柵極和相對應(yīng)的寬固定鋁電極的交疊部分，與窄柵極和相對應(yīng)的窄固定鋁電極的交疊部分的寬度不同。

為了保證質(zhì)量塊的質(zhì)量均衡，上述N大于等于2，上述寬柵極和窄柵極相互交錯。

本實(shí)用新型還提供了一種基于雙電容式微機(jī)械加速度傳感器的溫度自補(bǔ)償系統(tǒng)，其特殊之處在于：

包括具有兩個輸出端的雙電容式微機(jī)械加速度傳感器、第一差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路、第二差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路、同相相干解調(diào)器、反相相干解調(diào)器、第一移相器、第二移相器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、高頻載波發(fā)生器和自補(bǔ)償電路；

上述高頻載波發(fā)生器的輸出端分別與雙電容式微機(jī)械加速度傳感器的輸入端、第一移相器的輸入端、第二移相器的輸入端連接；

上述雙電容式微機(jī)械加速度傳感器的兩個輸出端分別與第一差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端、第二差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接；上述第一差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端、第二差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端分別與同相相干解調(diào)器輸入端、反相相干解調(diào)器的輸入端連接；上述同相相干解調(diào)器輸入端、反相相干解調(diào)器的輸入端還分別與第一移相器的輸出端、第二移相器的輸出端連接；所述同相相干解調(diào)器的輸出端、反相相干解調(diào)器的輸出端分別與第一低通濾波器的輸入端、第二低通濾波器的輸入端連接，上述第一低通濾波器的輸出端、第二低通濾波器的輸出端與自補(bǔ)償電路的輸入端連接；

上述第一移相器的輸出信號和第一差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出信號同相，第二移相器的輸出信號和第二差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出信號反相。

上述雙電容式微機(jī)械加速度傳感器包括柵極單元和固定鋁電極單元，上述柵極單元包括N個寬柵極以及與寬柵極數(shù)量相等的窄柵極；上述固定鋁電極單元包括2N個寬固定鋁電極以及與寬固定鋁電極數(shù)量相等的窄固定鋁電極；N大于等于1；上述寬柵極的極板寬度大于窄柵極；上述寬固定鋁電極的極板寬度大于窄固定鋁電極；寬柵極與相對應(yīng)兩個寬固定鋁電極構(gòu)成第一電容，窄柵極與相對應(yīng)兩個窄固定鋁電極構(gòu)成第二電容；寬柵極和相對應(yīng)的寬固定鋁電極的交疊部分，與窄柵極和相對應(yīng)的窄固定鋁電極的交疊部分的寬度不同。

優(yōu)選的，為了保證質(zhì)量塊的質(zhì)量均衡，上述N大于等于2，上述寬柵極和窄柵極相互交錯。

自補(bǔ)償電路由加法器組成，加法器的輸出即為電容式微機(jī)械加速度傳感器的輸出。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是：

1)本實(shí)用新型將結(jié)構(gòu)、材料、工藝完全相同，尺寸不同的兩個電容式微機(jī)械加速度傳感器集成在一起，利用兩個電容式微機(jī)械加速度傳感器隨溫度的變化趨勢一致，在相干解調(diào)時分別采用同相解調(diào)和反相解調(diào)的方法，以此來消除溫度對電容式微機(jī)械加速度傳感器的影響。

2)本實(shí)用新型不需要熱敏電阻或集成溫度傳感器來測量加速度傳感器的溫度，因此排除了溫度測量誤差對補(bǔ)償精度的影響，提高了溫度補(bǔ)償精度。

3)本實(shí)用新型的溫度補(bǔ)償裝置由于不需要在電容式微機(jī)械加速度傳感器上安裝使用溫度傳感器，避免了加速度傳感器的金屬管殼內(nèi)因存在溫度梯度而造成的溫度測量誤差，進(jìn)一步提高了溫度補(bǔ)償精度。

4)本實(shí)用新型所采用的結(jié)構(gòu)能夠消除溫度對單個電容式微機(jī)械加速度傳感器的非線性影響，提高溫度補(bǔ)償精度。

附圖說明

圖1是雙電容式微機(jī)械加速度傳感器的溫度自補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本實(shí)用新型變面積式柵結(jié)構(gòu)雙電容式微機(jī)械加速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是現(xiàn)有的變面積式柵結(jié)構(gòu)電容檢測式微機(jī)械加速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。

現(xiàn)有的變面積式柵結(jié)構(gòu)電容檢測式微機(jī)械加速度傳感器如圖3所示，對其進(jìn)行改進(jìn)后的變面積式柵結(jié)構(gòu)雙電容式微機(jī)械加速度傳感器如圖2所示。改進(jìn)方式如下：

(1)將柵電極在X方向上的寬度設(shè)計(jì)為兩種不同的尺寸參數(shù)，如圖2所示的W1和W2，其中W1<W2。

(2)將固定鋁電極在X方向上的寬度設(shè)計(jì)為兩種不同的尺寸參數(shù)，如圖2所示的W5和W6，其中W5<W6。

(3)將柵電極與固定鋁電極之間在X方向上的交疊寬度設(shè)計(jì)為兩種不同的尺寸參數(shù)，如圖2所示的W3和W4，其中W3<W4。

(4)柵電極、固定鋁電極在Y方向的長度對于不同寬度的結(jié)構(gòu)是相同尺寸的，柵電極的厚度為d1，柵電極與固定鋁電極在Z方向上的間距為d2。

(5)為保證質(zhì)量塊的質(zhì)量均衡，不同尺寸的電極結(jié)構(gòu)相互交錯。

(6)引出兩組差分電容對，分別為第一電容式微機(jī)械加速度傳感器的差分電容對C01和C02，第二電容式微機(jī)械加速度傳感器的差分電容對C01'和C02'。

單載波調(diào)制型的電容式微機(jī)械加速度傳感器敏感外界的加速度信號，并將加速度信號轉(zhuǎn)換為差分電容的變化，通過差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路將傳感器內(nèi)部的差分電容轉(zhuǎn)換為電壓信號，并經(jīng)相干解調(diào)器進(jìn)行相敏解調(diào)和低通濾波器進(jìn)行濾波，可得到與輸入加速度信號成正比的電壓信號，從而實(shí)現(xiàn)對加速度的檢測。

由于加工時工藝誤差的存在，使得雙電容式微機(jī)械加速度傳感器內(nèi)部存在著初始電容的不對稱，即在輸入加速度為零時兩個初始差分電容之間存在一定的電容差。第一電容式微機(jī)械加速度傳感器的初始電容為C01和C02，且C01>C02；第二電容式微機(jī)械加速度傳感器的初始電容為C01'和C02'，且C01'>C02'。

假設(shè)加速度傳感器內(nèi)部初始電容的溫度系數(shù)為K_TC，由于兩個加速度傳感器的結(jié)構(gòu)、材料、工藝、加工條件、加工過程完全相同，因此兩個加速度傳感器的溫度系數(shù)相等，均為K_TC。

零加速度輸入時，溫度由初始值t₀變化到t₁，設(shè)溫度變化量為Δt。溫度變化Δt后，第一低通濾波器的輸出為：

V_out1＝V_carrier·(1+K_TCC·Δt)·(C₀₁-C₀₂)(1+K_TC·Δt)·G₁(1+K_TCG1·Δt) (1)

由于同相相干解調(diào)器的兩路輸入信號(第一移相器的輸出信號和第一差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出信號)相位相同，因此V_out1為正，且溫度升高V_out1變大。

溫度變化Δt后，第二低通濾波器的輸出為：

V_out2＝-V_carrier·(1+K_TCC·Δt)·(C₀₁′-C₀₂′)(1+K_TC·Δt)·G₂(1+K_TCG2·Δt) (2)

由于反相相干解調(diào)器的兩路輸入信號(第二移相器的輸出信號和第二差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出信號)相位相反，因此V_out2為負(fù)，且溫度升高V_out2變小。

式(1)和式(2)中，V_carrier為載波信號幅度，K_TCC為載波信號的溫度系數(shù)；G₁為第一差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路、同相相干解調(diào)器、第一低通濾波器的總增益；G₂為第二差分電容電壓轉(zhuǎn)換電路、反相相干解調(diào)器、第二低通濾波器的總增益；K_TCG1和K_TCG2分別為增益G₁和G₂的溫度系數(shù)。

溫度變化Δt后，溫度自補(bǔ)償電路即模擬加法器的輸出為：

Δt＝0時，V_out1+V_out2＝V_carrier·(C₀₁-C₀₂)·G₁-V_carrier·(C₀₁′-C₀₂′)·G₂ (4)

為使得系統(tǒng)的輸出V_out1+V_out2不隨溫度的改變而變化，那么須滿足：

由于K_TCC、K_TCG1、K_TCG2的值均很小，因此可忽略不計(jì)。因此，式(5)可簡化為：

整理式(6)后得到：

因此，增益G₁和G₂滿足式(7)所示的條件時，該電容式微機(jī)械加速度傳感器系統(tǒng)的零偏溫度系數(shù)為0，即系統(tǒng)輸出零偏不受溫度的影響。

若溫度對電容式微機(jī)械加速度傳感器的影響為非線性關(guān)系，即加速度傳感器內(nèi)部初始電容的溫度系數(shù)K_TC并非常數(shù)，而是與環(huán)境溫度有關(guān)的參數(shù)，用K_TC＝f(t)來表示，將其代入式(6)中，仍可得到式(7)。由此可見，本實(shí)用新型所述的基于雙電容式微機(jī)械加速度傳感器的溫度自補(bǔ)償方法能夠降低溫度對系統(tǒng)輸出信號的影響，同時消除溫度對單個電容式微機(jī)械加速度傳感器的非線性影響，提高溫度補(bǔ)償精度。

當(dāng)X方向上外界輸入加速度為a時，恒定t₀溫度下：

V_out1＝V_carrier·((C₀₁+ΔC₁)-(C₀₂-ΔC₁))·G₁ (8)

V_out2＝-V_carrier·((C₀₁′+ΔC₂)-(C₀₂′-ΔC₂))·G₂ (9)

V_out1+V_out2＝V_carrier·((C₀₁+ΔC₁)-(C₀₂-ΔC₁))·G₁-V_carrier·((C₀₁′+ΔC₂)-(C₀₂′-ΔC₂))·G₂ (10)

其中，ΔC₁為第一電容式微機(jī)械加速度傳感器在X方向上外界輸入加速度為a時所產(chǎn)生的電容變化量，ΔC₂為第二電容式微機(jī)械加速度傳感器在X方向上外界輸入加速度為a時所產(chǎn)生的電容變化量。

當(dāng)外界輸入加速度為0時，恒定t₀溫度下：

V_out1+V_out2＝V_carrier·(C₀₁-C₀₂)·G₁-V_carrier·(C₀₁′-C₀₂′)·G₂ (11)

則系統(tǒng)的靈敏度為：

將式(7)代入式(12)得到該雙電容式微機(jī)械加速度傳感器系統(tǒng)的靈敏度為：

因此，本實(shí)用新型所述的基于雙電容式微機(jī)械加速度傳感器的溫度自補(bǔ)償方法能夠在保證一定的系統(tǒng)靈敏度的同時，降低加速度計(jì)系統(tǒng)的溫漂，提高系統(tǒng)輸出信號的抗溫度干擾的能力。

由于加工時工藝誤差的存在，使得雙電容式微機(jī)械加速度傳感器內(nèi)部存在著初始電容的不對稱，即在輸入加速度為零時兩個初始差分電容之間存在一定的電容差。假設(shè)雙電容式微機(jī)械加速度傳感器內(nèi)部的兩個初始電容差分別為C₀₁-C₀₂＝0.3pf，C₀₁′-C₀₂′＝0.5pf，則滿足條件式(7)的情況是增益G₁與G₂的關(guān)系為G₂＝0.6G₁(可通過調(diào)整后級第一低通濾波器和第二低通濾波器的增益來實(shí)現(xiàn))，此時系統(tǒng)輸出端的靈敏度為因此，合理設(shè)計(jì)雙電容式微機(jī)械加速度傳感器的尺寸參數(shù)和后級處理電路的增益，能夠在保證系統(tǒng)靈敏度的同時消除溫度對系統(tǒng)輸出端信號的影響。