基于寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于航空航天领域高精度惯性元件的的温度补偿研宄领域。涉及一种基于 MEMS寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法。
【背景技术】
[0002] 微机械加速度计是一种以微机械制造技术制作加工而成的加速度计，相比于其他 类型的加速度计，电容式微机械加速度计由于其具有体积小、重量轻、可靠性好、功耗低、检 测简单等诸多优点，已经在惯性导航领域得到了广泛的重视和应用，成为了惯性导航系统 中不可缺少的器件；因此微机械加速度计的精度将直接影响惯性导航的精度，而微机械加 速度计的精度除了受到敏感元件的制造工艺、内部结构等本身的性能影响外，测试时所处 的环境因素也会影响其测试精度。在诸多的环境因素中，温度变化对系统的影响尤为突出。 为了使微机械加速度计满足更广泛的应用需求，就需要保证加速度计在温度变化的情况下 始终能够保持很高的加速度检测精度和稳定性。
[0003] 对于硅微加速度计而言，温度对系统的影响主要有两个方面：敏感元件和检测电 路。对于敏感元件而言主要表现在：（1)敏感元件的杨氏模量会随温度变化，从而致弹性系 数发生变化，影响系统的谐振频率；(2)敏感元件封装管壳内的空气受温度影响，从而使得 器件的阻尼系数发生改变；（3)不同材料的热膨胀系数不同将使得两种材料的交界面上产 生热应力，这个热应力的存在将改变加速度计的机械特性。在检测电路方面，主要包括电阻 电容等无源器件以及运算放大器、ADC、DAC等有源器件随温度的变化。以上种种与温度有 关的因素都会影响着加速度计系统的温度特性，恶化系统的稳定性。
[0004] 现有技术中，降低温度对加速度计系统精度的影响主要有四种方法：（1)研制出 对温度不敏感的器件；
[0005] (2)在结构中增加负温度系数的材料、元件，补偿温度对加速度计器件精度的影 响；（3)改善测试环境的温度，或采用一定的手段强行使得加速度计器件的测试环境温度 保持恒定；(4)有计划的改变加速度计系统测试期间的环境温度，研宄不同温度下加速度 计系统的输出特性，辨识出加速度计器件的静动态温度模型，从而采用硬件或软件的方法 进行实时的温度补偿。对于已经加工完成的加速度计器件，方法一和方法二俨然不能达到 改善温度特性的目的；而方法三通常需要高精度的控温设备，不仅占用体积还增加了功耗； 方法四相对来说具有结构简单，成本低等优点，但是需要设计额外的电路来加以实现，占用 了面积，限制了系统的小型化。
[0006] 本发明的目的在于提出一种基于寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补 偿方法，该方法克服现有温度补偿技术的实时性、精确性及复杂性等不足之处，提供了一种 基于微机械传感器敏感元件寄生电阻的温度补偿方法，该方法主要考虑到了 MEMS寄生电 阻对系统检测电路幅度和相移的影响。利用系统检测电路的相移来检测温度变化，从而进 行温度补偿。由于通过正交解调后，可直接同时获得幅度信息和相移信息，因此该方案实现 简单，在电路上不占用额外的面积，且能实时直接获取敏感器的准确温度信息。
【发明内容】
[0007] 本发明的技术解决问题是：为了克服现有温度补偿技术的不足之处，提供了一种 基于MEMS寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法，
[0008] 一种基于MEMS寄生电阻的电容式微机械加速度计相移温度补偿方法包括下列步 骤：
[0009] 1)考虑了 MEMS寄生电阻，对模拟检测电路进行分析，得到模拟检测电路所产生的 幅度和相移与MEMS寄生电阻的关系；
[0010] 2)将加速度计系统置于温箱内，保持输入加速度不变，MEMS寄生电阻的阻值会随 测试温度的变化而变化，而该寄生电阻阻值的变化将导致模拟检测电路产生的幅度和相移 发生变化，以每l〇°C为间隔变化温度，测量IQ解调之后的加速度信号和相移信号，得到加 速度信号和相移信号与温度之间的关系；
[0011] 3)根据加速度信号和相移信号与温度之间的关系，利用实际工作时测得的加速 度信号和相移信号来检测温度的变化，从而在FPGA内进行温度补偿，降低系统的温度灵敏 度，提尚系统的稳定性。
[0012] 所述的电容式微机械加速度计敏感元件结构是可变电容且含有寄生串联电阻。
[0013] 所述的步骤2)中的输入加速度通过检测双边电容差值来测量。
[0014] 所述的双边电容差值采用载波调制方式检测。
[0015] 所述的IQ解调方式为：FPGA产生两路正交正弦波用于调制信号的解调。
[0016] 所述的相位偏移信号表征温度信息，加速度信号同时受温度和加速度影响。
[0017] 该方法主要考虑到了 MEMS寄生电阻对系统模拟检测电路幅度和相移的影响，即 MEMS寄生电阻的阻值会随温度变化，从而影响到模拟检测电路的增益幅度和相移。利用模 拟检测电路的增益幅度和相移来检测温度变化，在FPGA内通过IQ解调得到加速度信号和 模拟电路的相移信号，利用解调之后的信号进行加速度计系统的温度补偿。该方案实现简 单，在电路上不占用额外的面积，能降低系统的温度灵敏度，提高系统的稳定性，
[0018] 本发明的电容式微机械加速度计是通过检测敏感元件电容变化来测量敏感轴方 向加速度的大小。有两种常用的电容检测电路：开关型电容检测电路和调制解调型电容检 测电路。调制解调型电容检测电路的原理是将低频电容信号调制到高频交流信号，经过放 大后进行解调，就可以得到电容值。本发明的信号处理是在信号解调阶段通过正交解调同 时得到电容值信息和温度信息，由此可进行温度补偿。它的信号处理包括下列步骤：
[0019] (1)采用调制解调型电容检测电路对微机械加速度计敏感电容进行检测；
[0020] (2)本地产生高频调制载波对加速度计敏感电容进行幅度调制，由于加速度计本 身寄生电阻的存在，会导致幅度调制的同时产生一定相移；
[0021] (3)本地产生正交的两路高频解调载波信号，两路正交解调载波频率相同且与调 制载波同频；