技术领域
[0001] 本
发明涉及微机电领域，特别是涉及一种开环微加速度计。
背景技术
[0002] 微加速度计是以一个
质量块作为敏感结构，当载体有某一方向的加速度时，质量块向一个方向偏移，然后通过
电极测量这个位移量(或产生偏移的惯性
力)换算为加速度。由于敏感结构存在寄生或杂散电容的影响，使得敏感结构偏离理想状态，测量的加速度存在误差。现有的方法是通过构建补偿电容阵列实现开环微加速度计的零位补偿，在微加速度计输出前通过非线性拟合补偿模块进行非线性校正，从而减低输出结果的误差。但是非线性拟合补偿模块获取非线性校正参数的过程需要使用精密离心机，设备昂贵，同时需要投入大量的人力进行加速度
传感器校正。因此，传统的开环微加速度计成本较高，且生产前校正效率低。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种开环微加速度计，通过改变内部的结构，以提高校正效率，降低成本。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0005] 一种开环微加速度计，所述开环微加速度计包括：敏感结构等效
电路、多个模拟
开关、电荷
放大器、电荷输运电路、
电荷积分器和
负反馈网路；
[0006] 所述敏感结构等效电路包括上极板、下极板、可动机构和校正电容，所述可动机构位于所述上极板与所述下极板之间；所述上极板与所述可动机构形成第三电容，所述上极板通过第一模拟开关与电源正极相连并通过第二模拟开关与所述负反馈网络连接；所述可动机构与所述下极板形成第四电容，所述下极板通过第三模拟开关与电源负极相连并通过第四模拟开关与所述负反馈网络连接；
[0007] 所述校正电容包括第一电容补偿阵列、第二电容补偿阵列；所述第一电容补偿阵列与所述第二电容补偿阵列
串联，所述第一电容补偿阵列的下极板与所述第二电容补偿阵列的上极板连接；所述第一电容补偿阵列的上极板通过第五模拟开关与所述负反馈网络连接并通过第六模拟开关与所述电源正极相连；所述第二电容补偿阵列的下极板通过第七模拟开关与所述负反馈网络连接并通过第八模拟开关与所述电源负极相连；
[0008] 所述第一电容补偿阵列与所述第三电容并联，所述第二电容补偿阵列与所述第四电容并联；所述可动机构连接于所述第一电容补偿阵列的下极板与所述第二电容补偿阵列的上极板之间的
连接线上，同时所述可动机构连接于所述电荷放大器；
[0009] 所述电荷放大器的输出端通过所述电荷输送电路连接所述电荷积分器，所述电荷积分器的输出端连接所述负反馈网路；
[0010] 所述第一模拟开关与所述第二模拟开关的开闭状态相反，当所述第一模拟开关闭合时，所述第二模拟开关断开；当所述第一模拟开关断开时，所述第二模拟开关闭合；所述第一模拟开关、所述第三模拟开关、所述第五模拟开关、所述第七模拟开关的开闭状态均相同，所述第二模拟开关、所述第四模拟开关、所述第六模拟开关、所述第八模拟开关的开闭状态均相同。
[0011] 可选的，所述敏感结构等效电路的上极板、可动机构和下极板均采用重掺杂
硅材料。
[0012] 可选的，所述敏感结构等效电路的可动机构具体包括：可动质量块、边框、
悬臂梁；所述可动质量块的一端通过所述悬臂梁固定于一侧的边框上，所述可动质量块的另一端与另一侧的边框不
接触；所述边框的上表面与所述敏感结构等效电路的上极板之间填充有
二氧化硅材料，所述边框的下表面与所述敏感结构等效电路的下极板之间也填充有
二氧化硅材料。
[0013] 可选的，所述第三电容产生的杂散电容Cf3和所述第一电容补偿阵列的电容Ccom1相等；所述第四电容产生的杂散电容Cf4和所述第二电容补偿阵列的电容Ccom2相等。
[0014] 可选的，所述可动机构连接于所述电荷放大器，具体包括：
[0015] 所述可动机构通过第九模拟开关连接所述电荷放大器的正相输入端并通过第十模拟开关连接所述电荷放大器的
反相输入端，所述第九模拟开关与所述第一模拟开关的开闭状态相同，所述第十模拟开关与所述第二模拟开关的开闭状态相同。
[0016] 可选的，所述电荷输送电路包括第五电容；所述第五电容的上极板通过第十一模拟开关接地并通过第十二模拟开关连接所述电荷放大器的输出端；所述第五电容的下极板通过第十三模拟开关连接所述电荷积分器的反相输入端并通过第十四模拟开关接地；所述电荷积分器的正相输入端接地；所述第十一模拟开关、所述第十三模拟开关、所述第一模拟开关的开闭状态均相同，所述第十二模拟开关、所述第十四模拟开关、所述第二模拟开关的开闭状态均相同。
[0017] 可选的，所述电荷放大器包括第一
运算放大器和第六电容；所述第一运算放大器的反相输入端与所述第一运算放大器的输出端之间连接所述第六电容和第十五模拟开关；所述第六电容与所述第十五模拟开关并联，所述第十五模拟开关与所述第一模拟开关的开闭状态相同。
[0018] 可选的，所述电荷积分器包括第二运算放大器和第七电容，所述第二运算放大器的反相输入端与所述第二运算放大器的输出端之间连接所述第七电容。
[0019] 根据本发明提供的具体
实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0020] 本发明通过巧妙改变第一补偿电容阵列和第二补偿阵列与敏感结构和后续处理电路的连接关系，能够同时实现加速度计零位和非线性校正，使得模拟输出VM与加速度a直接成线性关系。可以省去输出前数字化非线性拟合补偿环节，降低
硬件开销，避免离心标定所需的高昂投入，同时避免生产时需要非线性校正导致效率低的问题。
附图说明
[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例或
现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022] 图1为本发明开环微加速度计的结构示意图；
[0023] 图2为本发明开环微加速度计中敏感结构等效电路的立体结构图；
[0024] 图3为本发明开环微加速度计中敏感结构等效电路的爆炸图；
[0025] 图4为本发明开环微加速度计中敏感结构等效电路的截面图；
[0026] 图5为本发明开环微加速度计中敏感结构等效电路的电容示意图。
具体实施方式
[0027] 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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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。
[0028] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0029] 图1为本发明开环微加速度计的结构示意图。如图1所示，所述开环微加速度计包括：敏感结构等效电路1、多个模拟开关(图中用Φ表示)、电荷放大器2、电荷输运电路3、电荷积分器4和负反馈网路5；
[0030] 所述敏感结构等效电路1包括上极板1-1、下极板1-2、可动机构1-3和校正电容，所述可动机构1-3位于所述上极板1-1与所述下极板1-2之间；所述上极板1-1与所述可动机构1-2之间形成第三电容C3，所述上极板1-1通过第一模拟开关Φ1与电源正极VS相连并通过第二模拟开关Φ2与所述负反馈网络5连接；所述可动机构1-3与所述下极板1-2之间形成第四电容C4，所述下极板1-2通过第三模拟开关Φ3与电源负极-VS相连并通过第四模拟开关Φ4与所述负反馈网络5连接；
[0031] 所述校正电容包括第一电容补偿阵列Ccom1、第二电容补偿阵列Ccom2；所述第一电容补偿阵列Ccom1与所述第二电容补偿阵列Ccom2串联，所述第一电容补偿阵列Ccom1的下极板与所述第二电容补偿阵列Ccom2的上极板连接；所述第一电容补偿阵列Ccom1的上极板通过第五模拟开关Φ5与所述负反馈网络5连接并通过第六模拟开关Φ6与所述电源正极VS相连；所述第二电容补偿阵列Ccom2的下极板通过第七模拟开关Φ7与所述负反馈网络5连接并通过第八模拟开关Φ8与所述电源负极-VS相连；所述可动机构与所述敏感结构等效电路的上极板即第三电容C3产生的杂散电容Cf3和所述第一电容补偿阵列的电容Ccom1相等；所述可动机构与所述敏感结构等效电路的下极板即第四电容C4产生的杂散电容Cf4和所述第二电容补偿阵列的电容Ccom2相等。
[0032] 所述可动机构1-3的连接于所述第一电容补偿阵列Ccom1的下极板与所述第二电容补偿阵列Ccom2的上极板之间的连接线上，同时所述可动机构1-3还连接所述电荷放大器2。所述可动机构1-3通过第九模拟开关Φ9连接所述电荷放大器2的正相输入端并通过第十模拟开关Φ10连接所述电荷放大器2的反相输入端。
[0033] 所述电荷放大器2的输出端通过所述电荷输送电路3连接所述电荷积分器4，所述电荷积分器4的输出端连接所述负反馈网路5。
[0034] 所述电荷放大器2包括第一运算放大器A1和第六电容C6；所述第一运算放大器A1的反相输入端与所述第一运算放大器A1的输出端之间连接所述第六电容C6和第十五模拟开关Φ15；所述第六电容C6和第十五模拟开关Φ15并联。电荷放大器收集敏感结构电容对(第三电容和第四电容)CT上和CT下转移的电荷。在Φ1时钟相，反馈电容C6被开关短接复位。在Φ2时钟相，运算放大器A1反相端与敏感结构等效电路的中间可动极板(可动机构)相连。此时电容CT上和CT下上的电荷开始转移放电，反馈电容C6收集转移的电荷。
[0035] 所述电荷输送电路3包括第五电容C5；所述第五电容C5的上极板通过第十一模拟开关Φ11接地并通过第十二模拟开关Φ12连接所述电荷放大器2的输出端；所述第五电容C5的下极板通过第十三模拟开关Φ13连接所述电荷积分器4的反相输入端并通过第十四模拟开关Φ14接地；所述电荷积分器4的正相输入端接地。在Φ1时钟相C5两端分别连接到地和运算放大器A2反向端。由虚短可知运算放大器A2反向端为地电平，即电容C5两端
电压相等，此时电容C5放电。在Φ2时钟相，电容C5分别接到运算放大器A1输出和算放大器A2输出VM。运算放大器A1由于C5上收集有电荷从而产生
输出电压Vo，对电容C5预充电。电容C5两个电极板需要与模拟开关准确配合，使得电荷积分器2的运算放大器A2输出反馈网络5为负反馈。
[0036] 所述电荷积分器4包括第二运算放大器A2和第七电容C7，所述第二运算放大器A2的反相输入端与所述第二运算放大器A2的输出端之间连接所述第七电容C7。Φ1时钟相反向输入端接电容C5，收集其释放的电荷并对其积分。Φ2时钟相反向输入端与C5断开，运算放大器A2输出保持。
[0037] 负反馈网络5，将运算放大器A2输出反馈至电容C5以及运算放大器A1和敏感结构上极板、中间可动极板、下极板。由于电荷积分器4的作用，构成深度负反馈，实现电荷自平衡，即在Φ1时钟相
电源电压VS、-VS和运算放大器A2输出VM的作用下，电容CT上和CT下充电总量为0，CT上是指可动极板与上极板之间的电容，CT下是指可动极板与下极板之间的电容。
[0038] 所述第一模拟开关Φ1与所述第二模拟开关Φ2的开闭状态相反，通过时钟
信号控制，当所述第一模拟开关Φ1闭合时，所述第二模拟开关Φ2断开；当所述第一模拟开关Φ1断开时，所述第二模拟开关Φ2闭合；具体实施时，可以令第一模拟开关在第一时钟相闭合，第二模拟开关在第二时钟相闭合，第一时钟相和第二时钟相互补。所述第一模拟开关Φ1、所述第三模拟开关Φ3、所述第五模拟开关Φ5、所述第七模拟开关Φ7、所述第九模拟开关Φ9、所述第十一模拟开关Φ11、所述第十三模拟开关Φ13、所述第十五模拟开关Φ15的开闭状态均相同；所述第二模拟开关Φ2、所述第四模拟开关Φ4、所述第六模拟开关Φ6、所述第八模拟开关Φ8、所述第十模拟开关Φ10、所述第十二模拟开关Φ12、所述第十四模拟开关Φ14的开闭状态均相同。
[0039] 传统的微加速度计在Φ1时钟相，上极板接到正电源VS，下极板接到负电源-VS，中间可动极板接到运算放大器A2输出VM，正负电源对CT上和CT下充电。在Φ2时钟相，上、下极板接到运算放大器A2输出VM，中间可动极板接到运算放大器A1反相端。此时，由于运算放大器A1虚短，反相端与同相端电压相等为VM，即上极板、中间可动极板、下极板(电极电压相等，电容CT上和CT下放电，电荷转移。为了实现由于杂散电容带来的加速度计零位和非线性补偿校正，构建两个补偿电容阵列实现零位补偿。第一补偿电容阵列与中间可动机构、上极板之间形成的电容并联。第二补偿电容阵列与中间可动机构、下极板之间形成的电容并联。通过调节两个补偿电容阵列的大小，可以补偿杂散电容Cft1和Cft2不一致带来的零位问题，消除加速度计零位。由于补偿电容阵列和杂散电容Cf1和Cf2的存在，使得加速度计输出电压VM与加速度a出现非线性关系。为了对加速度计非线性进行补偿，应用时由数字化非线性拟合补偿环节对加速度计输出电压VM进行数字非线性校正。
[0040] 加速度计模拟输出VM与加速度a成非正比关系。为了对非线性进行补偿，考虑工程实现通常取公式(1)泰勒展开的前几次项作为非线性补偿简化误差模型，如式(2)所示：
[0041]
[0042] VM＝K0+K1a+K2a2+K3a3(2)
[0043] 通过精密离心机向加速度传感器施加一些列的离散加速度值[a1、a2…an]，同时观测加速度表对应的模拟电压输出[VM1、VM2…VMn],经最小二乘拟合，获取公式(2)中的非线性校正参数：K0、K1、K2、K3。获取完补偿系数后，必须经过数字化非线性拟合补偿环节将模拟电压采集为
数字量，并使用公式(2)进行计算实现非线性校正。
[0044] 为了实现上述非线性校正，数字化非线性拟合补偿环节至少应具备高
精度模数转换转换功能和
数据处理计算功能。校正后的结果仍为数字量，在某些应用环境甚至不得不再将校正后的数字量通过
数模转换变为模拟电压。由于公式(2)只取公式(1)泰勒级数的低阶项，因此其仅为公式(1)中非线性关系的近似表达，无法完全准确反应两者的非线性关系。此外，获取非线性校正参数K0、K1、K2、K3的过程中需要使用精密离心机，设备昂贵。同时需要投入大量的人力进行加速度传感器标校。上述原因导致生产效率低下且成本较高。
[0045] 本发明通过改变检测电路中两个补偿电容阵列与敏感结构上电极、中间电极和下电极和后续信号检测电路的连接关系，通过同时消除杂散电容项Cf1和Cf2，以同时解决可动机构边框杂散电容带来的零位和非线性问题。
[0046] 本发明整个检测网络仍然构成深度负反馈，并实现电荷自平衡。在Φ1时钟相，电源VS、-VS和运算放大器A2输出对电容C3和C4充电，第一补偿电容阵列和第二补偿电容阵列分别
短路放电。在Φ2时钟相，第一补偿电容阵列和第二补偿电容阵列介入作用，
抽取Φ1时钟相电容C3和C4充电电荷。由于深度负反馈，Φ2时钟相电容补偿阵列抽电量应与抽取Φ1时钟相电容C3和C4充电量大小相等。Φ1时钟相电容C3和C4充电量如式(3)所示：
[0047] Q＝C3(VM-VS)+C4(VM+VS)(3)
[0048] Φ2时钟相电容补偿阵列抽电量入式(4)所示：
[0049] Q＝Ccom1(VM-VS)+Ccom2(VM+VS)(4)
[0050] 将式(4)与式(3)相减可得：
[0051] C3(VM-VS)+C4(VM+VS)-Ccom1(VM-VS)-Ccom2(VM+VS)＝0(5)
[0053]
[0054] 将公式CT上＝C上+Cf1+Ccom1和CT下＝C下+Cf2+Ccom2带入式(6)可得：
[0055]
[0056] 由式(7)可知，通过调整两个电容补偿阵列的大小，使其分别与中间可动机构与上、下极板的杂散电容Cf1和Cf2相等，即可同时消除杂散电容带来的零位和非线性问题，式(7)可化简为
[0057]
[0058] 其中，VM表示微加速度计输出电压值，VS表示电源电压值，C上表示敏感结构等效电路上极板与可动机构之间的电容即第三电容，C下表示敏感结构等效电路下极板与可动机构之间的电容即第四电容，Cf1表示敏感结构等效电路上极板与可动机构之间的杂散电容，Cf2表示敏感结构等效电路下极板与可动机构之间的杂散电容，Ccom1表示第一电容补偿阵列的电容，Ccom2表示第二电容补偿阵列的电容。
[0059] 通过两个电容补偿阵列的作用，加速度计输出电压VM与加速度a成线性关系，且零位得到完全补偿。
[0060] 本发明通过巧妙改变两个补偿电容阵列Ccom1和Ccom2与敏感结构和后续处理电路的连接关系，同时实现加速度计零位和非线性校正，使得模拟输出VM与加速度a直接成线性关系。可以省去数字化非线性拟合补偿环节，较小硬件开销，同时避免离心标定所需的高昂投入。
[0061] 图2为本发明开环微加速度计中敏感结构等效电路的立体结构图。如图2所示，图2为本发明制作的“三明治”结构全硅MEMS敏感结构。敏感结构上极板2-1中间可动机构2-2和下极板2-3均采用重掺杂硅材料，三层硅之间由二氧化硅绝缘隔离，经熔融键合构成自密封体系。敏感结构爆炸图如图3所示，图3为本发明开环微加速度计中敏感结构等效电路的爆炸图。图4为本发明开环微加速度计中敏感结构等效电路的截面图，；图4为经图3中截面AB探视的三层结构的内部立体细节图。上极板2-1和下极板2-3均为平整的硅，中间可动结构2-2相对复杂。敏感结构的可动质量块2-2-1构成中间可动电极，其与上、下极板构成加速度检测有效的差分电容对。悬臂梁2-2-3，将可动质量块2-2-1悬接在边框2-2-2上。2-2-4为中间可动结构边框上的二氧化硅，实现上极板2-1、中间可动质量块2-2-1、下极板2-3的相互绝缘。由于二氧化硅和空气的存在，边框2-2-2与上、下极板将产生杂散电容，分别并联在上、下差分电容上。图5为本发明开环微加速度计中敏感结构等效电路的电容示意图。如图5所示，形成的电容示意图中，C上表示敏感结构等效电路上极板与可动机构之间的电容，C下表示敏感结构等效电路下极板与可动机构之间的电容，Cf1表示敏感结构等效电路上极板与可动机构之间的杂散电容，Cf2表示敏感结构等效电路下极板与可动机构之间的杂散电容。
[0062] 本
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0063] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
