一种可防御共振的MEMS传感器及其防御共振方法与流程

本发明涉及传感器
技术领域：
，尤其涉及一种可防御共振的mems传感器及其防御共振方法。
背景技术：
：mems传感器因其高精度，重量轻，尺寸小，高效能的特点已被广泛应用到各种控制领域，例如车辆通过mems加速度传感器判断是否产生急刹碰撞，从而自动呼叫车联网中心请求远程救援；车辆通过mems陀螺仪传感器判断车辆是否出现急转弯从而启动车身稳定系统等。mems传感器输出的数据，已经成为许多控制系统正确执行的重要依据。因此传感器数出数据的安全性就显的十分重要，如果传感器输出的数据遭受到黑客的攻击或篡改，就有可能导致控制系统功能的错误启动或关闭，重则造成重大的安全事故。目前，已经出现了利用特定频率的声波攻击mems传感器，使其输出错误数据的方法。其原理是使声波的频率达到mems传感器中的弹性元件的共振频率，从而引起弹性元件的共振。这样就可以操纵传感器内部弹性元件振动，并通过共振强弱控制其振幅。由于mems传感器就是靠弹性元件的弹性位移来转换成相应的电子测量值，然后对测量值进行量化转换完成输出，因此黑客完全可以用声波来控制传感器的数据输出，达到破坏的目的。为保护mems免受声波攻击，相应的方法有在mems传感器外围加上吸音材料，或在内部软件采用一些滤波算法抵消声波的影响。但是加上吸音材料的方式，只能针对声波攻击，如果有其它类型的物理共振源或高强度的声波吸音材料无法应对，而软件处理对共振抵消效果也很有限。技术实现要素：针对上述问题，本发明旨在提供一种可防御共振的mems传感器及其防御共振方法，可以有效的预防共振的发生，保障了数据的安全性。具体方案如下：一种可防御共振的mems传感器，包括可变电容、变节距弹性元件、量化模块和电流补偿模块，还包括分别与所述变节距弹性元件的两端电性连接的弹性元件输入引脚和弹性元件输出引脚，所述弹性元件输入引脚和弹性元件输出引脚之间接收刚性控制电流，以改变所述变节距弹性元件的刚性；所述电流补偿模块的输入端接收所述量化模块的量化值，并进行电流补偿后输出，所称补偿是根据所述变节距弹性元件所接收的刚性控制电流的电流值进行对应的补偿，输出最终的补偿后的校正值。进一步的，所述补偿是根据刚性控制电流的电流大小查找到对应的补偿值，根据对应补偿值进行补偿。进一步的，所述电流补偿模块中存有一补偿表，所述补偿表中包括两栏，分别为弹性元件电流大小栏和补偿值栏。进一步的，所述补偿表中的两栏中的每一项均一一对应。一种mems传感器防御共振方法，基于本发明实施例一所述的可防御共振的mems传感器，包括以下步骤：步骤一：输出一刚性控制电流的电流值至所述变节距弹性元件的两端电性连接的弹性元件输入引脚和弹性元件输出引脚；步骤二：量化模块采集可变电容输出的电容值，并将该电容值转换为量化值后输出给电流补偿模块，电流补偿模块根据所述变节距弹性元件的输入引脚和弹性元件输出引脚之间输入的所述刚性控制电流的电流值进行补偿，得到校正值，所述电流补偿模块将所述校正值作为结果输出。进一步的，所述电流补偿模块中存有一补偿表，所述补偿表中包括两栏，分别为弹性元件电流大小栏和补偿值栏，所述补偿是对根据刚性控制电流的电流大小查找补偿表中对应的补偿值，根据对应补偿值进行补偿。进一步的，步骤一中所述输出一刚性控制电流的电流值为随机选择补偿表中弹性元件电流大小栏中的任一项作为刚性控制电流的电流值进行输出。进一步的，所述补偿表中的两栏中的每一项均一一对应。一种补偿值计算方法，基于本发明实施例一所述的可防御共振的mems传感器，包括：在相同的外界条件下，计算所述可防御共振的mems传感器未施加刚性控制电流时和施加刚性控制电流时的输出的差值，设定该差值为该刚性控制电流的电流大小对应的补偿值。本发明采用如上技术方案，采用变节距弹性元件，通过控制电流动态变化来改变弹性元件的刚性大小，可以有效的预防共振的发生，保障了数据的安全性，同时采用的电流补偿模块可以确保测量精度。附图说明图1所示为本发明实施例一的结构示意图。图2所示为传统mems传感器的结构示意图。具体实施方式为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。实施例一：本发明提供了一种可防御共振的mems传感器，参考图1所示，图1中虚线框内为本发明所述可防御共振的mems传感器的结构示意图，包括可变电容1、变节距弹性元件2、量化模块和电流补偿模块，还包括分别与所述变节距弹性元件2的两端电性连接的弹性元件输入引脚和弹性元件输出引脚(图中未示出)，所述弹性元件输入引脚和弹性元件输出引脚之间接收刚性控制电流，以改变所述变节距弹性元件2的刚性。传统的mems传感器主要包括可变电容、弹性元件和量化模块，如图2所示，以单轴加速度传感器为例，其通过加速度和方向角速度等外部力的作用，使mems传感器内部的弹性元件即弹簧产生伸缩，从而使可变电容的电容值发生改变，将电容值的变化进行量化输出，即可得到mems传感器输出的x方向上速度的变化数值。本发明中所述的传统的mems传感器为通过可变电容和弹性元件实现传感功能的mems传感器，如加速度传感器。由于普通的弹性元件均具有固定的共振频率，因此当遇到同频率声波的攻击时，就会引起震动，进而影响可变电容值，因此攻击者可以操纵最终输出的mems传感器的值。当将普通弹性元件改为变节距弹性元件2时，如图1所示，该实施例中所述的mems传感器具有如下技术特点：1、弹性元件采用变节距弹性元件2。变节距弹簧可以有效防止共振。所述节距是指弹簧相邻两圈的轴向距离，变节距弹簧的有效圈数会随着弹簧受力增加引起的弹簧并圈而减少，而且有效圈数逐渐减少的过程也是弹簧刚性逐渐增大的过程，也正是因为变节距弹性元件2的特性使其具有了可变刚性的特性。我们知道弹簧受力以后会变形，而变节距的弹簧的特殊之处就在于：当受力逐渐增大时，变节距弧形弹簧会从小节距到大节距逐渐并紧，刚性也会逐渐增大。由于弹簧的共振频率是由自身刚性决定的，因此采用变节距弹性元件2可以使传感器弹性元件的刚性可变，即共振频率可变，这样攻击者较难采用声波共振攻击传感器。2、刚性控制电流。由于传感器感知的量一般是比较微小的量，比如重力加速度、角速度等，因此这些感知量本身力量不足以大到能使变节距弹性元件2因受力而并圈，引起刚性变化。这时，需要外部施加以一个贯穿变节距弹性元件2的电流，来主动改变变节距弹性元件2的刚性。该实施例中，所述变节距弹性元件2为弹簧，当弹簧通电以后，相邻两圈流过同向电流，由于同向电流相互吸引，弹簧会收缩，引起刚性变大。3、电流补偿模块。由于引入了电流控制弹簧刚性，因此对于相同的外部量，传感器输出的数值会叠加上电流的影响。这时，需要对输入的刚性控制电流的因素进行补偿。由于刚性是非线性变化的，因此需要对每一个单位电流的叠加影响都进行标定，形成一个电流相对于传感器输出值的补偿表。所述电流补偿模块的输入端接收所述量化模块的量化值，并进行电流补偿后输出，所称补偿是根据所述变节距弹性元件2所接收的刚性控制电流的电流值进行对应的补偿，输出最终的补偿后的校正值。该实施例中通过外部控制器控制输入的刚性控制电流的电流大小，然后将该电流大小发送给电流补偿模块，电流补偿模块根据接收到的外部控制器发送来的电流大小进行相应补偿。所述补偿该实施例中使用的是查表法进行补偿，即根据刚性控制电流的电流大小根据查表法查找到对应的补偿值，根据对应补偿值进行补偿，本领域技术人员也可以使用其他的现有技术方法进行补偿。该实施例中采取的具体实施方式为在该传感器的电流补偿模块中预先存储一补偿表，所述补偿表中包括两栏，分别为弹性元件电流大小栏和补偿值栏，所述补偿值栏中的每一项为计算后得到的补偿值，所述补偿值与弹性元件电流大小的值可以是一一对应关系，也可以是多项对应一项的关系，为了使所述变节距弹性元件2的刚性变化更加明显，抗共振能力更强，该实施例中优选设置两栏中的每一项均一一对应。所述弹性元件电流大小栏中的每一项的值可以是按顺序排列的增幅相同的电流值，也可以是无规律的电流值，在此不做限定，该实施例中为按顺序排列的电流值，即分别包括1-n单位电流。所述单位电流的设定和n的选择本领域技术人员可以根据经验来设定，既要满足不同个单位电流之间对变节距弹性元件2的补偿值应有差异，还需避免电流过大给传感器造成影响。所述补偿值的计算方法为：在相同的外界条件下，计算所述可防御共振的mems传感器未施加刚性控制电流时和施加刚性控制电流时的输出的差值，设定该差值为该刚性控制电流的电流大小对应的补偿值。在该实施例中具体为，针对相同的传感器输入，如在相同加速度的环境下，计算变节距弹性元件2未施加电流时，传感器的输出值y1，计算施加x(1≤x≤n)单位电流时，传感器的输出值y2，两者的差即为该单位电流的补偿值。所述补偿表的计算过程为该传感器的设计过程，当计算好补偿表后，应将该补偿表存储于电流补偿模块中以便后续使用中的调用。该实施例中设定的补偿表格式如表1所示，其中δa为单位电流，该实施例中δa＝0.001安倍，δxn为计算的补偿值。表1弹性元件电流大小补偿值δaδx12δaδx23δaδx3…………nδaδxn该实施例中传感器的工作原理为：所述变节距弹性元件2接收从弹性元件输入引脚和弹性元件输出引脚输入的电流，电流补偿模块根据弹性元件输入引脚和弹性元件输出引脚之间输入的电流大小从补偿表中查询出该电流大小对应的补偿值，进而使用该补偿值对量化模块转换的可变电容1的电容值进行补偿。由于对传感器攻击的根本原理是弹性元件共振，通常每个元件共振频率都是固定的这就为攻击带来了便利。本发明实施例通过在传感器使用过程中主动动态改变变节距弹性元件2的刚性属性，物体刚性变化会引起本身共振频率的变化，就可以使mems传感器内部的变节距弹性元件2的共振频率随机变化。由于共振频率不再是固定而是随机变化的，外界攻击的频率源很难匹配上共振频率，即便瞬间偶尔匹配上，由于传感器的共振频率是主动随机变化的因此又会马上失去共振。这样就使共振源无法长期控制传感器弹性元件，mems传感器具有了防御共振源攻击的能力。由于改变了变节距弹性元件2的刚性，因此会影响到传感器测量结果的准确性，本发明的补偿模块通过标定出输入刚性控制电流大小，对传感器数据的影响而进行补偿修正，保证传感器输出数值的准确性。实施例二：本发明还提供一种mems传感器防御共振方法，基于实施例一所述的可防御共振的mems传感器，包括以下步骤：步骤一：输出一刚性控制电流的电流值至所述变节距弹性元件的两端电性连接的弹性元件输入引脚和弹性元件输出引脚；步骤二：量化模块采集可变电容输出的电容值，并将该电容值转换为量化值后输出给电流补偿模块，电流补偿模块根据所述变节距弹性元件的输入引脚和弹性元件输出引脚之间输入的所述刚性控制电流的电流值进行补偿，得到校正值，所述电流补偿模块将所述校正值作为结果输出。所述补偿是根据刚性控制电流的电流大小查找到对应的补偿值，根据对应补偿值进行补偿。该实施例中采取的具体方式为在该传感器的电流补偿模块中存储一补偿表，所述补偿表中包括两栏，分别为弹性元件电流大小栏和补偿值栏，所述补偿值栏中的每一项为计算后得到的补偿值，所述补偿值与弹性元件电流大小的值可以是一一对应关系，也可以是多项对应一项的关系，为了使所述变节距弹性元件的刚性变化更加明显，抗共振能力更强，该实施例中优选设置两栏中的每一项均一一对应。步骤一中的所述输出一刚性控制电流的电流值可以为按照某种规律选择电流大小进行输入，也可以是随机选择电流大小进行输入，为了更好的防止共振，避免被人工破解，因此优选采用随机选择，即随机选择补偿表中弹性元件电流大小栏中的任一项作为刚性控制电流的电流值进行输出。该实施例中为在1到n之中，随机选取一个值m，作为弹性元件输入电流的单位倍数，对弹性元件输入m单位的电流。此时该实施例中的变节距弹性元件收到电流的作用会产生一定的收缩，导致其刚性发生改变。该实施例中，所述校正值＝量化值-补偿值。步骤三：返回步骤一，继续随机输入电流的大小，保证弹性元件刚性不断变化，以抵抗声波共振攻击。尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3