基于寄生電阻的電容式微機(jī)械加速度計(jì)相移溫度補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航空航天領(lǐng)域高精度慣性元件的的溫度補(bǔ)償研宄領(lǐng)域。涉及一種基于 MEMS寄生電阻的電容式微機(jī)械加速度計(jì)相移溫度補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微機(jī)械加速度計(jì)是一種以微機(jī)械制造技術(shù)制作加工而成的加速度計(jì),相比于其他 類型的加速度計(jì),電容式微機(jī)械加速度計(jì)由于其具有體積小、重量輕、可靠性好、功耗低、檢 測簡單等諸多優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域得到了廣泛的重視和應(yīng)用,成為了慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 中不可缺少的器件;因此微機(jī)械加速度計(jì)的精度將直接影響慣性導(dǎo)航的精度,而微機(jī)械加 速度計(jì)的精度除了受到敏感元件的制造工藝、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等本身的性能影響外,測試時(shí)所處 的環(huán)境因素也會(huì)影響其測試精度。在諸多的環(huán)境因素中,溫度變化對(duì)系統(tǒng)的影響尤為突出。 為了使微機(jī)械加速度計(jì)滿足更廣泛的應(yīng)用需求,就需要保證加速度計(jì)在溫度變化的情況下 始終能夠保持很高的加速度檢測精度和穩(wěn)定性。
[0003] 對(duì)于硅微加速度計(jì)而言,溫度對(duì)系統(tǒng)的影響主要有兩個(gè)方面:敏感元件和檢測電 路。對(duì)于敏感元件而言主要表現(xiàn)在:(1)敏感元件的楊氏模量會(huì)隨溫度變化,從而致彈性系 數(shù)發(fā)生變化,影響系統(tǒng)的諧振頻率;(2)敏感元件封裝管殼內(nèi)的空氣受溫度影響,從而使得 器件的阻尼系數(shù)發(fā)生改變;(3)不同材料的熱膨脹系數(shù)不同將使得兩種材料的交界面上產(chǎn) 生熱應(yīng)力,這個(gè)熱應(yīng)力的存在將改變加速度計(jì)的機(jī)械特性。在檢測電路方面,主要包括電阻 電容等無源器件以及運(yùn)算放大器、ADC、DAC等有源器件隨溫度的變化。以上種種與溫度有 關(guān)的因素都會(huì)影響著加速度計(jì)系統(tǒng)的溫度特性,惡化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中,降低溫度對(duì)加速度計(jì)系統(tǒng)精度的影響主要有四種方法:(1)研制出 對(duì)溫度不敏感的器件;
[0005] (2)在結(jié)構(gòu)中增加負(fù)溫度系數(shù)的材料、元件,補(bǔ)償溫度對(duì)加速度計(jì)器件精度的影 響;(3)改善測試環(huán)境的溫度,或采用一定的手段強(qiáng)行使得加速度計(jì)器件的測試環(huán)境溫度 保持恒定;(4)有計(jì)劃的改變加速度計(jì)系統(tǒng)測試期間的環(huán)境溫度,研宄不同溫度下加速度 計(jì)系統(tǒng)的輸出特性,辨識(shí)出加速度計(jì)器件的靜動(dòng)態(tài)溫度模型,從而采用硬件或軟件的方法 進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度補(bǔ)償。對(duì)于已經(jīng)加工完成的加速度計(jì)器件,方法一和方法二儼然不能達(dá)到 改善溫度特性的目的;而方法三通常需要高精度的控溫設(shè)備,不僅占用體積還增加了功耗; 方法四相對(duì)來說具有結(jié)構(gòu)簡單,成本低等優(yōu)點(diǎn),但是需要設(shè)計(jì)額外的電路來加以實(shí)現(xiàn),占用 了面積,限制了系統(tǒng)的小型化。
[0006] 本發(fā)明的目的在于提出一種基于寄生電阻的電容式微機(jī)械加速度計(jì)相移溫度補(bǔ) 償方法,該方法克服現(xiàn)有溫度補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)時(shí)性、精確性及復(fù)雜性等不足之處,提供了一種 基于微機(jī)械傳感器敏感元件寄生電阻的溫度補(bǔ)償方法,該方法主要考慮到了 MEMS寄生電 阻對(duì)系統(tǒng)檢測電路幅度和相移的影響。利用系統(tǒng)檢測電路的相移來檢測溫度變化,從而進(jìn) 行溫度補(bǔ)償。由于通過正交解調(diào)后,可直接同時(shí)獲得幅度信息和相移信息,因此該方案實(shí)現(xiàn) 簡單,在電路上不占用額外的面積,且能實(shí)時(shí)直接獲取敏感器的準(zhǔn)確溫度信息。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:為了克服現(xiàn)有溫度補(bǔ)償技術(shù)的不足之處,提供了一種 基于MEMS寄生電阻的電容式微機(jī)械加速度計(jì)相移溫度補(bǔ)償方法,
[0008] 一種基于MEMS寄生電阻的電容式微機(jī)械加速度計(jì)相移溫度補(bǔ)償方法包括下列步 驟:
[0009] 1)考慮了 MEMS寄生電阻,對(duì)模擬檢測電路進(jìn)行分析,得到模擬檢測電路所產(chǎn)生的 幅度和相移與MEMS寄生電阻的關(guān)系;
[0010] 2)將加速度計(jì)系統(tǒng)置于溫箱內(nèi),保持輸入加速度不變,MEMS寄生電阻的阻值會(huì)隨 測試溫度的變化而變化,而該寄生電阻阻值的變化將導(dǎo)致模擬檢測電路產(chǎn)生的幅度和相移 發(fā)生變化,以每l〇°C為間隔變化溫度,測量IQ解調(diào)之后的加速度信號(hào)和相移信號(hào),得到加 速度信號(hào)和相移信號(hào)與溫度之間的關(guān)系;
[0011] 3)根據(jù)加速度信號(hào)和相移信號(hào)與溫度之間的關(guān)系,利用實(shí)際工作時(shí)測得的加速 度信號(hào)和相移信號(hào)來檢測溫度的變化,從而在FPGA內(nèi)進(jìn)行溫度補(bǔ)償,降低系統(tǒng)的溫度靈敏 度,提尚系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0012] 所述的電容式微機(jī)械加速度計(jì)敏感元件結(jié)構(gòu)是可變電容且含有寄生串聯(lián)電阻。
[0013] 所述的步驟2)中的輸入加速度通過檢測雙邊電容差值來測量。
[0014] 所述的雙邊電容差值采用載波調(diào)制方式檢測。
[0015] 所述的IQ解調(diào)方式為:FPGA產(chǎn)生兩路正交正弦波用于調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。
[0016] 所述的相位偏移信號(hào)表征溫度信息,加速度信號(hào)同時(shí)受溫度和加速度影響。
[0017] 該方法主要考慮到了 MEMS寄生電阻對(duì)系統(tǒng)模擬檢測電路幅度和相移的影響,即 MEMS寄生電阻的阻值會(huì)隨溫度變化,從而影響到模擬檢測電路的增益幅度和相移。利用模 擬檢測電路的增益幅度和相移來檢測溫度變化,在FPGA內(nèi)通過IQ解調(diào)得到加速度信號(hào)和 模擬電路的相移信號(hào),利用解調(diào)之后的信號(hào)進(jìn)行加速度計(jì)系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償。該方案實(shí)現(xiàn)簡 單,在電路上不占用額外的面積,能降低系統(tǒng)的溫度靈敏度,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,
[0018] 本發(fā)明的電容式微機(jī)械加速度計(jì)是通過檢測敏感元件電容變化來測量敏感軸方 向加速度的大小。有兩種常用的電容檢測電路:開關(guān)型電容檢測電路和調(diào)制解調(diào)型電容檢 測電路。調(diào)制解調(diào)型電容檢測電路的原理是將低頻電容信號(hào)調(diào)制到高頻交流信號(hào),經(jīng)過放 大后進(jìn)行解調(diào),就可以得到電容值。本發(fā)明的信號(hào)處理是在信號(hào)解調(diào)階段通過正交解調(diào)同 時(shí)得到電容值信息和溫度信息,由此可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。它的信號(hào)處理包括下列步驟:
[0019] (1)采用調(diào)制解調(diào)型電容檢測電路對(duì)微機(jī)械加速度計(jì)敏感電容進(jìn)行檢測;
[0020] (2)本地產(chǎn)生高頻調(diào)制載波對(duì)加速度計(jì)敏感電容進(jìn)行幅度調(diào)制,由于加速度計(jì)本 身寄生電阻的存在,會(huì)導(dǎo)致幅度調(diào)制的同時(shí)產(chǎn)生一定相移;
[0021] (3)本地產(chǎn)生正交的兩路高頻解調(diào)載波信號(hào),兩路正交解調(diào)載波頻率相同且與調(diào) 制載波同頻;