CN116125099B - 一种mems闭环电容式加速度计高线性控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
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UT和施加至下极板的下极板电压UB；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。
Description
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UT和施加至下极板的电压UB；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UT和施加至所述下极板的下极板电压UB；
步骤4：根据施加至所述上极板的上极板电压UT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。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤4的具体操作为：根据所述闭环控制量，结合闭环电容式加速度计参数，计算施加至所述上极板的上极板电压UT和施加至所述下极板的下极板电压UB；所述闭环电容式加速度计参数用于指示所述闭环电容式加速度计获得的最大量程。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述计算施加至所述上极板的上极板电压UT的具体操作为：
计算施加至所述下极板的下极板电压UB的具体操作为：
其中，ΔB为闭环控制量，B为闭环电容式加速度计参数。
为了更好地实现本发明，进一步地，步骤5中所述计算加速度测量值的具体操作为：
adet＝Constant+Scale*ΔB
其中，ΔB为闭环控制量，Constant为实际零偏测试得到的零偏，Scale为标度因子测试得到的标度因子，adet为加速度测量值。
基于上述提出的MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法，为了更好地实现本发明，进一步地，提出一种MEMS闭环电容式加速度计控制系统，与加速度计连接；加速度计包括加速度计敏感结构；加速度计敏感结构包括上极板、下极板、中间极板、质量块；其特征在于，电容式加速度计闭环控制系统包括处理模块、载波模块、CV转换模块；载波模块的输入端输入载波信号，输出端与中间极板连接；中间极板与质量块连接；CV转换模块的输入端与中间极板连接，输出端与处理模块的输入端连接；处理模块的输出端与上极板、下极板连接；
载波模块，用于将载波信号和输入加速度计的加速度信号调制为电容变化信号；
CV转换模块，用于将电容变化信号解调为差分模拟电压信号；
处理模块，用于将差分模拟电压信号转换为差分数字电压信号，并根据差分数字电压信号生成极板控制电压信号；然后根据极板控制电压信号计算闭环控制量；并根据闭环控制量，计算施加至上极板的电压UT和施加至下极板的电压UB；最后根据极板控制电压信号产生的静电力消除质量块在惯性力作用下产生的位移，并根据电压UT、电压UB计算加速度测量值。
为了更好地实现本发明，进一步地，处理模块包括PID控制模块、板极控制电压解算模块；PID控制模块的输入端与CV转换模块的输出端连接，PID控制模块的输出端与板极控制电压解算模块的输入端连接；板极控制电压解算模块的输出端与上极板和下极板连接；
PID控制模块，用于根据差分数字电压信号生成极板控制电压信号，并根据极板控制电压信号计算闭环控制量；
板极控制电压解算模块，用于根据所述闭环控制量，结合闭环电容式加速度计参数，计算施加至所述上极板的上极板电压UT和施加至所述下极板的下极板电压UB；并根据所述闭环控制量计算加速度测量值；加速度计参数用于指示加速度计的获得的最大量程。
为了更好地实现本发明，进一步地，闭环电容式加速度计控制系统还包括温度传感器；温度传感器与处理模块连接；
温度传感器，用于测量加速度计敏感结构的温度信息；
处理模块，还用于根据温度信息补偿加速度计敏感结构因温度产生的漂移，生成温度补偿后的加速度测量值。
为了更好地实现本发明，进一步地，闭环电容式加速度计控制系统还包括模数转换器、第一数模转换器、第二数模转换器；
模数转换器的输入端与CV转换模块的输入端连接，模数转换器的输出端与处理模块的输入端连接；
第一数模转换器的输入端与处理模块的输出端连接，第一数模转换器的输出端搭接在上极板与CV转换模块的第一输入端之间；
第二数模转换器的输入端与处理模块的输出端连接，第二数模转换器的输出端搭接在下极板与CV转换模块的第二输入端之间。
为了更好地实现本发明，进一步地，闭环电容式加速度计控制系统还包括高通滤波器；
高通滤波器的第一输入端与上极板、第一数模转换器的输出端连接，高通滤波器的第二输入端与下极板、第二数模转换器的输出端连接，高通滤波器的第一输出端与CV转换模块的第一输入端连接，高通滤波器的第二输出端与CV转换模块的第二输入端连接；
高通滤波器，用于隔离第一数模转换器和第二数模转换器生成的低频的极板控制电压模拟信号，导通加速度计敏感结构生成的高频的电容变化信号。
为了更好地实现本发明，进一步地，闭环电容式加速度计控制系统还包括电源模块；电源模块包括直流变换器、第一稳压器、第二稳压器；
直流变化器的输入端输入外部电压，输出端与第一稳压器的输入端连接；
第一稳压器的输出端与载波模块、第一数模转换器、第二数模转换器、第二稳压器的输入端连接；
第二稳压器的输出端与模数转换器、处理模块连接；
直流变换器，用于将外部电压转换为6v稳定电压；
第一稳压器，用于将6v稳定电压转换为5v稳定电压；
第二稳压器，用于将5v稳定电压转换为3.3v稳定电压。
为了更好地实现本发明，进一步地，闭环电容式加速度计控制系统还包括通信模块；通信模块的输入端输入外部通信信号，并与处理模块的输出端连接，通信模块的输出端输出加速度测量值。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明在不进行额外的非线性补偿的情况下，通过施加电压产生的静电力抵消质量块在加速度作用下产生的惯性力，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。
(2)本发明提出的控制系统具有结构简单、灵敏度高的特点，提供的控制方法适用于所有MEMS差分电容式加速度计尤其是三明治加速度计，可在变间距电容式加速度计存在加工误差及检测电路不对称等非理想状况下实现的高线性度数字闭环控制。
附图说明
图1为本发明提供的控制系统结构示意图；
图2为本发明提供的闭环控制方法信号传输示意图；
图3为本发明实施例提供的敏感结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本申请实施例提出了一种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产生的位移；如图2所示，所述方法包括以下步骤：
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UT和施加至所述下极板的下极板电压UB；
步骤4：根据施加至所述上极板的上极板电压UT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。
进一步地，所述步骤4的具体操作为：根据所述闭环控制量，结合闭环电容式加速度计参数，计算施加至所述上极板的上极板电压UT和施加至所述下极板的下极板电压UB；所述闭环电容式加速度计参数用于指示所述闭环电容式加速度计获得的最大量程。
进一步地，所述计算施加至所述上极板的上极板电压UT的具体操作为：
计算施加至所述下极板的下极板电压UB的具体操作为：
其中，ΔB为闭环控制量，B为闭环电容式加速度计参数。
为了更好地实现本发明，进一步地，步骤5中所述计算加速度测量值的具体操作为：
adet＝Constant+Scale*ΔB
其中，ΔB为闭环控制量，Constant为实际零偏测试得到的零偏，Scale为标度因子测试得到的标度因子，adet为加速度测量值。
工作原理：本申请实施例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电压UT和施加至下极板的电压UB；通过施加电压产生的静电力消除质量块的惯性力，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。
实施例2：
本实施例在上述实施例1的基础上，如图1所示，提出一种MEMS闭环电容式加速度计控制系统，与加速度计连接；加速度计包括加速度计敏感结构；加速度计敏感结构包括上极板、下极板、中间极板、质量块；其特征在于，电容式加速度计闭环控制系统包括处理模块、载波模块、CV转换模块；载波模块的输入端输入载波信号，输出端与中间极板连接；中间极板与质量块连接；CV转换模块的输入端与中间极板连接，输出端与处理模块的输入端连接；处理模块的输出端与上极板、下极板连接；
载波模块，用于将载波信号和输入加速度计的加速度信号调制为电容变化信号；
CV转换模块，用于将电容变化信号解调为差分模拟电压信号；
处理模块，用于将差分模拟电压信号转换为差分数字电压信号，并根据差分数字电压信号生成极板控制电压信号；然后根据极板控制电压信号计算闭环控制量；并根据闭环控制量，计算施加至上极板的电压UT和施加至下极板的电压UB；最后根据极板控制电压信号产生的静电力消除质量块在惯性力作用下产生的位移，并根据电压UT、电压UB计算加速度测量值。
进一步地，处理模块包括PID控制模块、板极控制电压解算模块；PID控制模块的输入端与CV转换模块的输出端连接，PID控制模块的输出端与板极控制电压解算模块的输入端连接；板极控制电压解算模块的输出端与上极板和下极板连接；
PID控制模块，用于根据差分数字电压信号生成极板控制电压信号，并根据极板控制电压信号计算闭环控制量；
板极控制电压解算模块，用于根据所述闭环控制量，结合闭环电容式加速度计参数，计算施加至所述上极板的上极板电压UT和施加至所述下极板的下极板电压UB；并根据所述闭环控制量计算加速度测量值；加速度计参数用于指示加速度计的获得的最大量程。
进一步地，闭环电容式加速度计控制系统还包括温度传感器；温度传感器与处理模块连接；
温度传感器，用于测量加速度计敏感结构的温度信息；
处理模块，还用于根据温度信息补偿加速度计敏感结构因温度产生的漂移，生成温度补偿后的加速度测量值。
进一步地，闭环电容式加速度计控制系统还包括模数转换器、第一数模转换器、第二数模转换器；
模数转换器的输入端与CV转换模块的输入端连接，模数转换器的输出端与处理模块的输入端连接；
第一数模转换器的输入端与处理模块的输出端连接，第一数模转换器的输出端搭接在上极板与CV转换模块的第一输入端之间；
第二数模转换器的输入端与处理模块的输出端连接，第二数模转换器的输出端搭接在下极板与CV转换模块的第二输入端之间。
进一步地，闭环电容式加速度计控制系统还包括高通滤波器；
高通滤波器的第一输入端与上极板、第一数模转换器的输出端连接，高通滤波器的第二输入端与下极板、第二数模转换器的输出端连接，高通滤波器的第一输出端与CV转换模块的第一输入端连接，高通滤波器的第二输出端与CV转换模块的第二输入端连接；
高通滤波器，用于隔离第一数模转换器和第二数模转换器生成的低频的极板控制电压模拟信号，导通加速度计敏感结构生成的高频的电容变化信号。
进一步地，闭环电容式加速度计控制系统还包括电源模块；电源模块包括直流变换器、第一稳压器、第二稳压器；
直流变化器的输入端输入外部电压，输出端与第一稳压器的输入端连接；
第一稳压器的输出端与载波模块、第一数模转换器、第二数模转换器、第二稳压器的输入端连接；
第二稳压器的输出端与模数转换器、处理模块连接；
直流变换器，用于将外部电压转换为6v稳定电压；
第一稳压器，用于将6v稳定电压转换为5v稳定电压；
第二稳压器，用于将5v稳定电压转换为3.3v稳定电压。
进一步地，闭环电容式加速度计控制系统还包括通信模块；通信模块的输入端输入外部通信信号，并与处理模块的输出端连接，通信模块的输出端输出加速度测量值。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，如图1、图2、图3所示，将处理模块、通信模块集成在DSP芯片上，并将DSP与模数转换器和温度传感器集成在MCU芯片上，以一个具体的实施例进行详细说明。
本实施例提供了一种适用于MEMS闭环变间距差分电容式加速度计尤其是三明治结构加速度计的高线性度数字闭环控制方法，该闭环控制方法可在差分电容对称性较差的实际情况下实现理论上完全线性的闭环控制；本实施例同时提供了一种可应用该控制方法的结构简单、成本低的板级闭环电容式加速度计控制系统。
其中，一种MEMS闭环电容式加速度计控制系统，其包括：
电源模块，所述的电源模块包括直流变换器、稳压器和电源基准；
所述的直流变换器将宽范围的外部宽范围的直流供电输入转换至稳定电压；
所述的稳压器将直流变换器输出的稳定电压转换至各用电器件需电压；
所述的电源基准输出精度较高的参考电压，供给ADC和DAC使用；
载波模块，所述的载波模块可发生MHz级别的高频载波，并输入到加速度计敏感结构中，以调制加速度计敏感结构电容变化信号到高频；
所述的载波模块和CV转换模块共同作用可检测加速度计敏感结构的质量块位移引起的电容变化，进而转化为模拟电压，所述的载波模块产生高频的载波信号，将加速度计敏感结构的电容变化信号调制到高频，所述的CV转换模块将调制后包含电容变化信号的高频载波信号解调为与电容变化信号相关的模拟电压信号。
加速度计敏感结构，所述的加速度计敏感结构由MEMS工艺加工制作，包括至少三个或三组电极，其中有至少一对固定的称的差分电极和一个可在惯性力作用下运动的活动电极即中间电极，活动电极与固定电极之间组成两个或两组差分电容，惯性力作用下可改变该差分电容大小；
所述加速度计敏感结构包括有一定质量、可敏感惯性力且在惯性力作用下可以产生一定弹性位移的中间电极，还包括一个或一组顶部电极和一个或一组底部电极，所述的顶部电极和底部电极关于中间电极几乎对称，且顶部电极与中间电极和底部电极与中间电极构成电容，中间电极的位移可改变所述的电容间距进而改变电容大小。
高通滤波器，所述的高通滤波器可使被调制到MHz高频的电容变化信号通过，而滤除掉DAC输出的KHz低频的控制信号；
所述高通滤波器隔离第一模数转换器和第二模数转换器输出的低频模拟电压信号传输到CV转换模块，同时，经过加速度计敏感结构并将质量块变化信息调制到高频的载波信号可以通过该高通滤波器到达CV转换模块，实现顶部电极和底部电极的检测/控制复用。
CV转换模块，所述的CV转换模块即电容-电压转换模块，该模块将高频调制的电容变化信号解调后以差分电压信号输出到ADC；
ADC，所述的ADC即模数转换器，该模块将CV转换模块产生的差分模拟电压信号转换为数字量，供处理模块使用；
所述的模数转换器将电容变化信号相关的模拟电压信号转化为数字信号，在经过处理模块控制后，输出给第一数模转换器和第二数模转换器所要输出到加速度计敏感结构的低频控制电压信号，且向外通过串行通信模块输出经过获取温度传感器温度信息后温度补偿的加速度测量值。
DAC1和DAC2，所述的DAC1和DAC2即第一数模转换器和第二数模转换器，DAC1和DAC2将处理模块计算所得的数字电压控制量转换为实际的模拟控制电压信号；
所述DAC1和DAC2使用相同工艺制作，来自于单片双DAC模块，且使用同一参考电压基准；
所述第一数模转换器和第二数模转换器将处理模块输出的低频控制电压信号转换为低频模拟控制电压，并作用于加速度计敏感结构的顶部电极和底部电极上。
DSP，所述的DSP即数字信号处理模块，包含处理模块和SPI/串口模块；
处理模块，所述的处理模块从ADC、温度传感器直接或者通过SPI/串口模块获取加速度计敏感结构质量块位置信息和温度信息，执行闭环控制方法，计算得到数字电压控制量和加速度测量值，随后将数字电压控制量直接或者通过SPI/串口模块传输到DAC1与DAC2，将加速度测量值与温度信息直接或者通过SPI/串口模块输出；
SPI/串口模块，所述的SPI/串口模块即为通信模块，将DSP中的数据串行输出或将外部的信息串行输入；
温度传感器，所述的温度传感器测量整体加速度计模块的温度信息，并将测量到的温度信息直接或通过SPI/串口模块传输到处理模块以校正温度对加速度测量值的影响；
优选的，所述的温度传感器安装在距离加速度计敏感结构最近部位；
优选的，所述的MCU即微控制单元，其将ADC、温度传感器、DSP集成在单个芯片内，减小器件面积、提升信号传输速率；
一种高线性度数字闭环控制方法，该高线性度数字闭环控制方法执行于处理模块中，通过获取模数转换器周期性输出的电压信息以获取加速度计敏感结构的质量块在惯性力作用下的位移量信息；周期性将该位移量信息传输入PID控制器以获取可动态调控加速度计敏感结构的质量块处于设定位置的控制量，并将该控制量通过极板电压解算为控制电压并输出到第一数模转换器和第二数模转换器；周期性的解算该控制量为测量加速度值并获取温度传感器温度值以校准测量加速度的温度漂移，并输出最终的加速度测量值。
将从ADC中获得的差分电压信号ΔV经过PID模块实时运算得到控制量ΔB以进行闭环控制使得ΔV被控制到一个固定值，即敏感结构的质量块被控制到一个固定位置以消除敏感结构和CV转换模块引起的非线性；PID运算得到的控制量ΔB被通过如下公式的解算获得输出到上极板的电压UT和下极板的电压UB：
其中B为常数，所测量到并输出的加速度adet可解算为：
adet＝Constant+Scale*ΔB
其中，Constant和Scale为实际零偏和标度因子测试得到的零偏Constant和标度因子Scale；
优选的，常数B取值为：
B＝UTMAX 2/2
以使加速度计获得最大的量程，其中UTMAX为DAC1和DAC2可输出的最大电压；
优选的，中间极板的电压UM取值为UM＝0V以实现最简控制；
所述的高线性度数字闭环控制方法是在变间距差分电容式加速度计敏感结构时，两个或两对差分电极不对称、与敏感质量块所在的中间电极之间的初始间距分别为dT、dB，且经过CV转换电路及ADC存在一定误差的检测后，质量块在0g时的位置被控制偏移了dx，则闭环控制稳定时上极板与中间极板之间的距离为：
d1＝dT-dx
下极板与中间极板之间的距离为：
d2＝dT+dx
上述的无法完全消除的加工误差和检测误差在现有闭环控制方法下会造成测量到的加速度adet与实际的加速度a之间的非线性，在本文的控制方法下，理论上的加速度可由施加到质量块静电力与惯性力抵消可解算为：
F惯性力＝-m*a
闭环控制使得静电力与惯性力之和：
F静电力+F惯性力＝0
可解得：
其中ε为极板间介质的介电常数，A为极板电容面积，m为敏感质量块质量；
因则UT 2＝B+ΔB，UB 2＝B-ΔB，带入到上述adet的理论计算公式中可得：
其中，其中，ε、A、B、m、d1、d2均为常数，则Constant1与Scale1为常数，理论加速度a与控制量ΔB线性相关，因测量到的加速度adet与ΔB线性相关，则理论加速度a与测量到的加速度adet线性相关，因加工产生的差分电容不对称、CV转换电路及ADC的检测误差在所述的高线性度闭环控制方法下被完全消除掉，不会产生非线性项。
本实施例的闭环电容式加速度计控制系统具体实施为板级高线性度MEMS闭环电容式加速度计。
如图1所示的闭环电容式加速度计控制系统，与加速度计敏感结构连接，该闭环电容式加速度计控制系统包括：载波模块、高通滤波器、电容-电压转换模块、第一数模转换器、第二数模转换器、MCU微控制器和电源模块。
上述电源模块包括DCDC芯片、LDO芯片；DCDC芯片可将范围较宽的外部供电转换为大于6V供电，可选用满足整体加速度计系统功耗的任一输出为6V的DCDC芯片；LDO芯片中的一个芯片将DCDC转换的大于6V电压转换为稳定的5V电源供载波模块、第一数模转换器和第二数模转换器使用，另一个LDO芯片将5V的稳定电源转换出3.3V稳定电压供微控制器使用。
上述载波模块由电源模块供电，使用晶振产生4MHz的高频方波并连接高通滤波器使输出载波的有效值为0V、幅值为2.5V；输出载波直接连接到加速度计敏感结构的敏感质量块所在电极。
上述加速度计敏感结构使用图3所示的“三明治”结构，包括位于敏感质量块所在中间电极顶部的顶部电极和底部的底部电极；顶部电极与中间电极、底部电极与中间电极17所构成的平行板电容器极板间距约为2微米，质量块所在的中间电极厚度为400微米、电容面积为3.2平方毫米；中间电极上的敏感质量块可在惯性力作用下移动以改变其与顶部电极和底部电极之间的距离d1和d2，从而改变与顶部电极和底部电极之间的电容C1和C2大小。
上述高通滤波器为无源RC高通滤波器，载波模块产生的高频方波经过加速度计敏感结构可较为完整的通过高频滤波器，而由第一数模转换器和第二数模转换器施加到加速度计敏感结构的低频控制电压信号几乎无法通过高通滤波器，从而实现检测信号和控制信号共用一对差分电极而不相互影响。
上述CV转换模块将调制了加速度计敏感结构的电容变化信号解调为电压信号，以供模数转换器读取，CV转换模块可使用结构较为简单的环形二极管电容检测结构。
上述模数转换器测量加速度计敏感结构电容变化产生的差分电压信号并转化为数字量，由处理模块直接读取。
上述处理模块运行本实施例中的控制方法，将所输入的差分控制信号经过PID控制器以获得控制量，随后将控制量进行开方和其他运算以获得极板控制电压，并通过SPI/串口模块将极板控制电压输出给第一数模转换器和第二模数转换器集成的模数转换器中。同时，根据温度传感器修正温度漂移后的加速度测量值通过SPI/串口模块实时输出。
上述模数转换器、处理模块、SPI/串口模块被集成在独立的微控制器芯片中，以节省板级电路面积。
本实施例的控制方法具体实施如下：
所述的高线性度闭环控制方法运行在加速度计敏感结构为变电容极板间距方式的上述MEMS闭环电容式加速度计实施例中。以下实施过程为一个执行周期内的执行过程，闭环控制是随时间不断循环执行该实施过程的控制，单个执行周期实施过程如下：以计算程序执行的闭环控制方法运行在微控制器中，其读取从芯片集成的模数转换器7所输出的关于加速度计敏感结构电容变化信息，通过PID控制器运算实时输出控制量，该控制量的作用效果为控制加速度计敏感结构的质量块到一设定的固定位置；PID控制器所输出的控制量ΔB在经过极板控制电压解算后获得要施加到加速度计敏感结构中顶部电极和底部电极的控制电压数据UT和UB，并通过SPI/串口串行输出到第一模数转换器和第二模数转换器集成的DAC芯片中以输出模拟电压到加速度计敏感结构；至此单个执行周期的高线性度数字闭环控制方法实施完成。其中控制电压数据UT和UB的解算方程为：
其中B为一常数，建议取值：
B＝UTMAX 2/2
UTMAX为DAC芯片可输出最大电压，B取值的直观表现为理想0g时施加于顶部电极和底部电极的电压为B取值较大可能会使闭环系统不稳定，可适当降低B取值。
本发明公开的高线性度数字闭环控制方法，可运行在任意可执行数字程序运算的控制器上，可应用于闭环控制系统控制任意变电容间距式加速度计敏感结构以使闭环电容式加速度计无需非线性矫正即可获得高线性度。
本实施例的闭环电容式加速度计控制系统工作流程如下：
加速度计敏感结构在所搭载的载体有加速度计敏感方向的加速度时，其敏感质量块18会因有一定质量敏感到惯性力；
敏感质量块会在惯性力作用下产生位移，改变加速度计敏感结构的极板间距d1和d2，从而引起电容C1和C2的改变；
敏感结构电容C1和C2的改变通过CV转换模块和模数转换器的检测和转换，变成差分电压信号ΔV，使处理模块读取到质量块偏离原有位置和偏离量ΔV；
处理模块在经过PID控制器和极板控制电压解算后，输出了控制电压信号UT和UB以使DAC芯片输出模拟控制电压；
DAC芯片输出模拟控制电压作用于加速度计敏感结构的顶部电极和底部电极，在静电力的作用下质量块在惯性力作用下产生的位移被静电力的作用消除，在多轮控制达到稳态后，静电力约等于惯性力；
处理模块解控制电压所产生的静电力以获得测量的加速度值，并通过获取温度传感器的温度信息修正因温度影响产生的漂移后，将修正后的加速度测量值通过SPI/串口模块输出。
本实施例提出的控制系统，具有成本低、结构简单的优点；同时，本实施例提出的控制方法可在不进行额外的非线性补偿的情况下完全消除因加工误差和差分电容检测误差引起的非线性项，该闭环控制方法运算量小，理论上无需补偿可获得输入加速度与检测加速度的完全线性关系，有利于提升目前闭环电容式加速度计的线性度，进一步提升高精度闭环电容式加速度计的性能，输出的测量加速度值无需再进行任何非线性补偿，理论上完全解决了因加速度计敏感结构电容间距加工误差载波模块、高通滤波器、CV转换模块和模数转换器模块这些用于质量块位置信息获取中的偏移引起的非线性。
本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种MEMS闭环电容式加速度计高线性控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
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上极板的上极板电压UT和施加至下极板的下极板电压UB；
步骤4：根据施加至所述上极板的上极板电压UT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；
所述步骤3的具体操作为：根据所述闭环控制量，结合闭环电容式加速度计参数，计算施加至所述上极板的上极板电压UT和施加至所述下极板的下极板电压UB；所述闭环电容式加速度计参数用于指示所述闭环电容式加速度计获得的最大量程；
所述计算施加至所述上极板的上极板电压UT的具体操作为：
计算施加至所述下极板的下极板电压UB的具体操作为：
其中，为闭环控制量，/>为闭环电容式加速度计参数；
B=UTMAX 2/2
其中，UTMAX为DAC1和DAC2可输出的最大电压；
步骤4中所述计算加速度测量值的具体操作为：
其中，△B为闭环控制量，Constant为实际零偏测试得到的零偏，Scale为标度因子测试得到的标度因子，为加速度测量值。
2.一种MEMS闭环电容式加速度计控制系统，与闭环电容式加速度计连接；所述闭环电容式加速度计包括加速度计敏感结构；所述加速度计敏感结构包括上极板、下极板、中间极板、质量块；其特征在于，所述闭环电容式加速度计闭环控制系统包括处理模块、载波模块、CV转换模块；所述载波模块的输入端输入载波信号，输出端与所述中间极板连接；所述中间极板与所述质量块连接；所述CV转换模块的输入端与所述中间极板连接，输出端与所述处理模块的输入端连接；所述处理模块的输出端与所述上极板、所述下极板连接；
所述载波模块，用于将所述载波信号和输入所述闭环电容式加速度计的加速度信号调制为电容变化信号；
所述CV转换模块，用于将所述电容变化信号解调为差分模拟电压信号；
所述处理模块，用于将所述差分模拟电压信号转换为差分数字电压信号，并根据所述差分数字电压信号生成极板控制电压信号；然后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UT和施加至所述下极板的下极板电压UB；最后根据施加至所述上极板的上极板电压UT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；
所述处理模块包括PID控制模块、板极控制电压解算模块；所述PID控制模块的输入端与所述CV转换模块的输出端连接，所述PID控制模块的输出端与所述板极控制电压解算模块的输入端连接；所述板极控制电压解算模块的输出端与所述上极板和所述下极板连接；
所述PID控制模块，用于根据所述差分数字电压信号生成极板控制电压信号，并根据所述极板控制电压信号计算闭环控制量；
所述板极控制电压解算模块，用于根据所述闭环控制量，结合闭环电容式加速度计参数，计算施加至所述上极板的上极板电压UT和施加至所述下极板的下极板电压UB；并根据所述闭环控制量计算加速度测量值；
所述闭环电容式加速度计参数用于指示所述闭环电容式加速度计获得的最大量程；
所述计算施加至所述上极板的上极板电压UT的具体操作为：
计算施加至所述下极板的下极板电压UB的具体操作为：
其中，为闭环控制量，/>为闭环电容式加速度计参数；
B=UTMAX 2/2
其中，UTMAX为DAC1和DAC2可输出的最大电压。
3.如权利要求2所述的一种MEMS闭环电容式加速度计控制系统，其特征在于，所述闭环电容式加速度计控制系统还包括温度传感器；所述温度传感器与所述处理模块连接；
所述温度传感器，用于测量所述加速度计敏感结构的温度信息；
所述处理模块，还用于根据所述温度信息补偿所述加速度计敏感结构因温度产生的漂移，生成温度补偿后的加速度测量值。
4.如权利要求2所述的一种MEMS闭环电容式加速度计控制系统，其特征在于，所述处理模块还包括模数转换器、第一数模转换器、第二数模转换器；
所述模数转换器的输入端与所述CV转换模块的输入端连接，所述模数转换器的输出端与所述处理模块的输入端连接；
所述第一数模转换器的输入端与所述处理模块的输出端连接，所述第一数模转换器的输出端搭接在所述上极板与所述CV转换模块的第一输入端之间；
所述第二数模转换器的输入端与所述处理模块的输出端连接，所述第二数模转换器的输出端搭接在所述下极板与所述CV转换模块的第二输入端之间。
5.如权利要求4所述的一种MEMS闭环电容式加速度计控制系统，其特征在于，所述闭环电容式加速度计控制系统还包括高通滤波器；
所述高通滤波器的第一输入端与所述上极板、所述第一数模转换器的输出端连接，所述高通滤波器的第二输入端与所述下极板、所述第二数模转换器的输出端连接，所述高通滤波器的第一输出端与所述CV转换模块的第一输入端连接，所述高通滤波器的第二输出端与所述CV转换模块的第二输入端连接；
所述高通滤波器，用于隔离所述第一数模转换器和所述第二数模转换器生成的低频的极板控制电压模拟信号，导通所述加速度计敏感结构生成的高频的电容变化信号。
6.如权利要求4所述的一种MEMS闭环电容式加速度计控制系统，其特征在于，所述闭环电容式加速度计控制系统还包括电源模块；所述电源模块包括直流变换器、第一稳压器、第二稳压器；
所述直流变化器的输入端输入外部电压，输出端与所述第一稳压器的输入端连接；
所述第一稳压器的输出端与所述载波模块、所述第一数模转换器、第二数模转换器、第二稳压器的输入端连接；
所述第二稳压器的输出端与所述模数转换器、处理模块连接；
所述直流变换器，用于将所述外部电压转换为6v稳定电压；
所述第一稳压器，用于将所述6v稳定电压转换为5v稳定电压；
所述第二稳压器，用于将所述5v稳定电压转换为3.3v稳定电压。
7.如权利要求2所述的一种MEMS闭环电容式加速度计控制系统，其特征在于，所述闭环电容式加速度计控制系统还包括通信模块；所述通信模块的输入端输入外部通信信号，并与所述处理模块的输出端连接，所述通信模块的输出端输出加速度测量值和温度信息。
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