专利名称：利用法尔贴效应的mems角速度传感器的温度稳定性能保障的有源恒温控制装置及方法
利用法尔贴效应的MEMS角速度传感器的温度稳定性能保障的有源恒温控制装置及方法本发明涉及用MEMS角速度芯片内的利用法尔贴效应的有源恒温控制方法来控制MEMS角速度传感器内的温度，使其保持稳定的相对恒定的恒温状态的同时使MEMS角速度传感器内的密闭室的温度变化的速度保持在非激烈变化的状态，从而改善MENS角速度传感器的在不同的温度环境使用时的温度特性，保障MEMS角速度信号输出精度的方法及装置。
背景技术：
MEMS角速度传感器是用微小机械技术实现的角速度传感器。广泛应用于监视汽车的横向转动的角速度变化等领域。由于是微小的机械构造，当温度变化时，MEMS微小机械的机械特性，如振动部件的弹簧部分的弹性等将随着温度的变化而发生变化，从而使MEMS角速度传感器的输出信号与真实值发生偏离，给MEMS角速度传感器的输出信号的真实性带来消极影响，使MEMS角速度传感器的输出信号精度下降。近年来，汽车行业的ESC和EPS (汽车横向打滑防止系统)系统正在迅速的普及，在ESC和ESP系统中，角速度传感器时必备的重要传感器，其具有极大的市场前景，由于MEMS角速度传感器价格适中，正在被广泛的使用在ESC和ESP系统中。并且，近年来为了降低ESC和ESP系统的成本，将MEMS角速度传感器和ESC及ESP系统的液压控制模块集成在一起放在引擎箱中已经成为ESC及ESP发展的主流趋势。这就使得MEMS角速度传感器不得不工作在汽车引擎箱的环境温度激烈变化的工作环境中。ESC和ESP系统中所使用的MEMS角速度传感器所要工作的环境温度可能是汽车刚刚起动时的零下40°C到125°C的温度范围，不同的温度及激烈的温度变化给MEMS角速度传感器的输出信号精度带来的下降，已经成为MEMS角速度传感器所要克服的重要的技术难点。关于MEMS角速度传感器的输出信号的温度特性，已知的方法有利用温度传感器来监视温度及其变化，根据温度的变化来对MEMS角速度传感器的输出信号进行补偿的方法。但是，这种方法无法从根本上消除温度变化对MEMS角速度传感器的输出信号的消极影响，尤其是无法消除温度变化的速度变化时对MEMS角速度传感器输出信号的消极影响。
发明内容
前述的MEMS角速度传感器的输出信号的温度特性，已知的方法有利用温度传感器来监视温度及其变化，根据温度的变化来对MEMS角速度传感器的输出信号进行补偿的方法。该方法是在温度发生变化，并且这个温度变化对MEMS角速度传感器的输出信号已经产生了消极影响的情况下，对输出信号进行补偿，来减少环境温度变化对MEMS角速度传感器的输出信号的消极影响的方法，这种方法是无法从根本上消除环境温度的变化对MEMS角速度传感器的输出信号的消极影响的，从而提高MEMS角速度传感器输出信号的精度。本发明的目的是从减小MEMS角速度传感器工作环境的温度变化给其输出信号的真实性带来的消极影响的方法。同时，对于MEMS角速度传感器工作环境的温度变化速度变化给MEMS角速度传感器输出信号的真实性带来的消极影响上，也给与了更有效的解决方法，提高MEMS角速度传感器输出信号的精度。本专利申请的第一个发明内容是发明了 MEMS角速度传感器的放置感应角速度感应微小机械的密闭空间的利用法尔贴效应的冷却片进行温度变化的控制方法。是同时监视放置感应角加速度感应微小机械的密闭空间内及MEMS角速度传感器外的环境温度，同时参考MEMS应用的环境状态不同时间段的温度值，并且，根据放置角加速度感应微小机械的密闭空间内及MEMS角速度传感器外的环境温度的温差，内外温度的变化速度及内外传热的量的大小，对放置角加速度感应微小机械的密闭空间利用法尔贴效应的冷却片进行温度变化的控制，使感应角速度的微小机械保持其工作温度相对稳定恒定的状态，使MEMS角速度传感器的温度变化速度不至于过于激烈，从而保证MEMS角速度传感器的输出信号的精度。另外，本发明申请的第二个发明内容是，该MEMS角速度传感器的MEMS角速度传感器的角速度感应微小机械所放置的密闭空间的利用法尔贴效应的冷却片进行温度变化控制的装置由以下几部分组成a，密闭室内温度传感器此传感器用于感应MEMS角速度传感器的感应角速度信号的微小机械所放置的密闭室内的温度山，环境温度传感器此传感器用于感应MEMS角速度传感器所放置环境的环境温度；c，法尔贴效应冷却片用于冷却MEMS角速度传感器的感应角速度信号的微小机械所放置的密闭室的温度；d，法尔贴效应冷却控制器该法尔贴效应冷却控制器，根据密闭室内温度传感器及环境温度传感器的得到的温度值及温度的变化情况，外界温度环境及不同的工作状态，同时参考MEMS角速度传感器的感应角速度信号的微小机械所放置的密闭室壁的热传导速度，对法尔贴效应冷却片进行控制，使密闭室内的温度保持相对恒定，温度变化范围的速度保持在一定的速度范围之内。即，比如装在汽车上使用时，在汽车刚刚起动时将温度设定在非最高温度值上使MEMS的密闭室内的温度保持恒定。当汽车持续行驶时，将密闭室内温度的恒定温度设定值提高到高温度值，使其在高温度值段保持稳定。并且在从一个恒温控制温度段向另一个恒温控制温度段转移时，使温度变化的速度保持在一定的温度变化速度之内的控制方法。关于发明的效果的说明依据本发明申请的发明，MEMS角速度传感器的感应角速度信号的微小机械所放置的密闭室内的温度可以法尔贴效应冷却控制，从而是MEMS角速度传感器的输出信号不受其所工作的环境温度的变化的影响，达到高精度的MEMS角速度传感器的角速度输出信号。同时，由于采用了法尔贴效应冷却控制，可以使MEMS内的微小机械工作在其最佳的工作温度值之内，并且，通过对法尔贴效应冷却片进行有源控制，可以是MEMS内微小机械的温度变化速度被控制在一定的温度变化速度范围之内，也可以将MEMS角速度传感器设定在非最高的温度段，即将其设定在最优工作温度值上，这样进一步保证了 MEMS角速度传感器的输出精度。本发明实施时最佳方案的说明一，角速度信号感应微小机械机构法尔贴效应利用的有源温度控制方法。首先就本发明申请中的MEMS角速度传感器的感应角速度信号的微小机械的工作状态的法尔贴冷却有源温度控制方法进行说明微小机械的工作状态的法尔贴冷却温度控制是指通过多个温度传感器来检测MEMS角速度传感器的微小机械的温度及影响其温度变化的环境温度及环境温度的变化，通过法尔贴冷却片对的方式来对MEMS角速度传感器的微小机械的温度进行有源控制。并且，在温度控制上，采用法尔贴冷却控制的方式，同时可以将MEMS角速度传感器设定成可以稳定在数个温度值上进行稳定控制。温度值的选择可以根据刚起动，正常负荷，高负荷等不同的工况情况，也可以根据环境温度变化情况来进行设定。并且当在不同的温度控制时，可以控制温度变化的速度，是温度变化的速度保持在一定的温度变化速度之下。从而保持MEMS角速度传感器的微小机械的温度在相对应工况下的温度恒定的工作状况，避免由于MEMS角速度传感器的微小机械的温度变化引起的微小机械的机械特性的变化，是MEMS角速度传感器的输出信号不受环境温度变化的影响，从而保证MEMS角速度传感器的输出信号值的高精度。
图1是本发明申请中的微小机械机构利用法尔贴冷却效应的有源温度控制的示意图。图1中，在密闭室中，安装了密闭室内温度传感器2，法尔贴冷却片4，角速度感应微小机械5,法尔贴冷却温度控制器6。同时,在密闭室外装有环境温度传感器I。从本图中看，当密闭室内外有温度差时，将有热量通过密闭室壁在密闭室内外传热。并且传热的速度将密闭室壁的传热的速度成正比。在图1中，当对密闭室内的温度进行法尔贴冷却温度控制时，法尔贴冷却温度控制器6，将根据刚刚起动，正常工况，高负荷工况，高热环境，低温环境，密闭室内外的温度差及密闭室壁3的热传导的速度等因素进行判断，来向密闭室内的加热器4发出指令，进行将温度变化的速度控制在一定的速度范围之内为目标的有源反馈温度控制。二，利用本发明进行MEMS角速度传感器的感应角速度信号的微小机械的工作温度利用法尔贴效应的有源温 度控制的应用例上述MEMS角速度传感器的感应角速度信号的微小机械的工作温度法尔贴冷却温度稳定控制方法的实用略图，由图2来表示。图2中，利用法尔贴效应的有源温度稳定控制系统主要由环境温度传感器10，密闭室内温度传感器20，密闭室壁30，密闭室内法尔贴冷却片40，角速度感应微小机械50和法尔贴冷却温度稳定控制器60组成。[温度发生变化时]当环境的温度发生变化时，法尔贴冷却温度稳定控制器通过环境温度传感器和密闭室内温度传感器得到内外的温度差，同时根据预先已知的密闭室内外传热速度，向法尔贴冷却片发出加热的控制指令。使密闭室内的温度保持恒定。[设计上的注意点]在设计加热器时，为了使密闭室内温度加热的均匀，同时达到能迅速补偿密闭室壁的内外传热，尽可能将冷却片的吸入热量的一边均匀分布在密闭室内壁。同时通过密闭室壁，将法尔贴冷却片的放热的一边放置在MEMS角速度传感器的外壁的一边。为了更加准确地检测到微小机械的温度值，将密闭室内温度传感器放置在微小机械的附近，或者和微小机械合为一体，而不是放置在密闭室内的其他发热模块附近，如ASIC附近。并且，对于刚刚起动，正常工况，高负荷工况，高热环境，低温环境等信息，可以从MEMS角速度传感器所使用的系统信息，如在汽车的使用中，可以从引擎ECU中获得。应用例I
全体构成说明图2是本发明的第一应用例的MEMS角速度传感器内微小机械法尔贴效应利用温度稳定控制系统略图。应用本发明的MEMS角速度传感器内微小机械分段式恒温控制系统装置由，环境温度传感器10，密闭室内温度传感器20，密闭室壁30，法尔贴冷却片40，角速度感应微小机械50和分段式恒温控制器60组成。本装置是和MEMS角速度传感器结合在一体的方式。并且，其中的法尔贴冷却温度稳定控制器可以是单独作为一个模块来设计，也可以和原来的MEMS角速度传感器的ASIC(即，MEMS角速度传感器的感应角速度信号的微小机械的驱动回路和信号处理及检测回路等MEMS角速度传感器的集成电路系统)合成一体的方式达到MEMS角速度传感器感应角速度信号的微小机械的恒温控制。(I)环境温度传感器10:环境温度传感器10是环境温度传感器，是用来检测MEMS角速度传感器工作环境的温度的装置。可以是放置的MEMS角速度传感器附近的普通的热可变电阻合金温度传感器，也可以是装在MEMS角速度传感器所应用环境中的其他系统模块上的温度传感器，MEMS角速度传感器从所工作的大系统中可能得到环境温度值的任何形式的温度传感器。(2)密闭室内温度传感器20 密闭室内温度传感器20，是检测MEMS角速度传感器内部密闭室中的温度的温度传感器。可以是温度可变电阻合金温度传感器。此温度传感器可以是放置在感应角速度信号的微小机械附件，也可以和微小机械合为一体来设计。(3)密闭室壁30:密闭室壁30，在MEMS角速度传感器的感应角速度信号的微小机械所放置的密闭室内恒温有源控制装置中，是恒温控制系统中的传热机能模块。该传热机能模块的传热速度的设计，是根据微小机械所放置的密闭室内的除密闭室内加热器以外的发热器件的发热量，微小机械可能的最后温度值及MEMS加速度传感器工作环境的最高值来设计，以保障MEMS能够在所设计的最高工作温度环境中正常工作。(4)法尔贴冷却片40 密闭室内加热器40，是对在MEMS角速度传感器的感应角速度信号的微小机械所放置的密闭室内进行冷却的装置。当恒温控制器出的电流流过该法尔贴冷却片，其放置在MEMS角速度传感器内的一边吸收热量。同时将热量通过MEMS角速度传感器的外壁的放出热量的一边将热量从MEMS角速度传感器内放出外边，使微小机械所放置的密闭室内的温度保持恒定。为了保持对密闭室内冷却的均匀，尽可能将密闭室内法尔贴冷气片的吸收热量的一边40均匀分布在密闭室内的四周，同时接近密闭室壁。(5)法尔贴冷却温度稳定控制器60 法尔贴冷却温度稳定控制器60，是接受密闭室外的环境温度传感器10和密闭室内的温度传感器20及系统发来的起动，正常工况，高负荷工况等信息，同时参考密闭室壁的传热速度，对密闭室内要发生的热量进行推算，并根据推算的信息对法尔贴效应冷却片40进行控制，使其吸收适当的热量，达到密闭室内的温度稳定，是温度的变化的速度被限制在一定的温度变化速度之内，从而使MEMS角速度传感器内感应角速度信号的微小机械工作在相对恒定的温度状态，达到输出信号的高精度。(6)法尔贴温度稳定控制方法图3是本发明的密闭室内温度的温度稳定控制方法的流程图。一下对各个步骤进行说明。根据系统及温度传感器发来的信息，对目前MEMS角速度传感器的工作工况进行确认，从而决定所要保持温度稳定控制的温度值。1，工况及使用环境确人(S100)根据系统及温度传感器发来的信息，对目前MEMS角速度传感器的工作工况进行确认，从而决定所要保持温度稳定控制的温度值。2，接收温度传感器信号(S200)接收来自环境温度传感器的温度信号和MEMS角速度传感器的感应角速度信号的微小机械所放置的密闭室内得温度值信号。3，对是否冷却进行判断(S300)根据温度差值对是否进行冷却进行判断。如果不需要冷却控制，则直接转到是否继续进行冷却控制的判断。如果需要冷却，则进入下一步温度稳定控制程序。4，对吸热量进行推算(S400)根据密闭室内温度差，同时参考密闭室壁的传热速度，对加热器所需的发出的吸热量进行推算。 5，按冷却控制逻辑进行冷控制(S500，S600)根据所推算出的所需的发热量，应用法尔贴冷却温度稳定控制逻辑，如PID控制，对加热器进行冷却控制。6，对是否结束法尔贴冷却温度稳定控制进行判断(S700)根据密闭室内温度差及外部控制器发来的指令，对是否继续法尔贴冷却温度稳定控制或结束法尔贴冷却温度稳定控制进行判断。7，结论通过反复操作以上步骤(S90 S700)来持续地MEMS角速度传感器的感应角速度信号的微小机械所放置的密闭室内进行法尔贴冷却温度稳定控制，到达MEMS角速度传感器输出信号的高精度。应用例2本发明的第2应用例说明。本发明可以将法尔贴冷却温度稳定控制器放置在MEMS角速度传感器外。图4是本发明的第2个应用例的MEMS角速度传感器的感应角速度信号的微小机械所放置的密闭室内进行法尔贴冷却温度稳定控制的模型图。即，将法尔贴冷却温度稳定控制放置在MEMS角速度传感器外。法尔贴冷却温度稳定控制器接收来自环境温度传感器温度值及工况和环境温度状况，同时通过MEMS角速度传感器的ASIC得到密闭室内的温度值，根据密闭室内外的温度差，应用法尔贴冷却温度稳定控制逻辑，确定所要进行恒温稳定控制的温度段，之后通过计算得到吸热量值，向MEMS角速度传感器的ASIC发出吸热控制指令，通过AS IC对密闭室内进行吸热控制。根据本应用，将分段式恒温控制器放置在MEMS角速度传感器外同样达到法尔贴冷却温度稳定控制的目标。同时，相对于应用例1，可以将MEMS角速度传感器内的回路系统简化。图的简单说明图1分段式法尔贴冷却温度稳定控制模型图。图2本发明的法尔贴冷却温度稳定控制装置略图。图3本发明法尔贴冷却温度稳定控制方法流程示意图。图4本发明的将法尔贴冷却温度稳定控制模块放置在MEMS角速度传感器外的法尔贴冷却温度稳定控制装置略图。符号说明10 :环境温度传感器20:密闭室内温度传感器30:密闭室内40 :密闭室法尔贴冷却片50 :角速度感应微小机械60 :有源密闭室内 法尔贴冷却温度稳定控制器。
权利要求
1.MEMS角速度传感器的放置感应角速度感应微小机械的密闭空间的利用法尔贴效应的冷却片进行温度变化的控制方法。是同时监视放置感应角加速度感应微小机械的密闭空间内及MEMS角速度传感器外的环境温度，同时参考MEMS应用的环境状态不同时间段的温度值，并且，根据放置角加速度感应微小机械的密闭空间内及MEMS角速度传感器外的环境温度的温差，内外温度的变化速度及内外传热的量的大小，对放置角加速度感应微小机械的密闭空间利用法尔贴效应的冷却片进行温度变化的控制，使感应角速度的微小机械保持其工作温度相对稳定恒定的状态，使MEMS角速度传感器的温度变化速度不至于过于激烈，从而保证MEMS角速度传感器的输出信号的精度。
2.该MEMS角速度传感器的MEMS角速度传感器的角速度感应微小机械所放置的密闭空间的利用法尔贴效应的冷却片进行温度变化控制的装置由以下几部分组成a，密闭室内温度传感器此传感器用于感应MEMS角速度传感器的感应角速度信号的微小机械所放置的密闭室内的温度；b，环境温度传感器此传感器用于感应MEMS角速度传感器所放置环境的环境温度；c，法尔贴效应冷却片用于冷却MEMS角速度传感器的感应角速度信号的微小机械所放置的密闭室的温度；d，法尔贴效应冷却控制器该法尔贴效应冷却控制器，根据密闭室内温度传感器及环境温度传感器的得到的温度值及温度的变化情况，外界温度环境及不同的工作状态，同时参考MEMS角速度传感器的感应角速度信号的微小机械所放置的密闭室壁的热传导速度，对法尔贴效应冷却片进行控制，使密闭室内的温度保持相对恒定，温度变化范围的速度保持在一定的速度范围之内。
全文摘要
本发明涉及用MEMS角速度芯片内的利用法尔贴效应的有源恒温控制方法来控制MEMS角速度传感器内的温度，使其保持稳定的相对恒定的恒温状态的同时使MEMS角速度传感器内的密闭室的温度变化的速度保持在非激烈变化的状态，从而改善MENS角速度传感器的在不同的温度环境使用时的温度特性，保障MEMS角速度信号输出精度的方法及装置。MEMS角速度传感器的放置感应角速度感应微小机械的密闭空间的利用法尔贴效应的冷却片进行温度变化的控制方法。
文档编号G05D23/19GK103064443SQ20111033319
公开日2013年4月24日 申请日期2011年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者郭松 申请人:郭松