加速度计及加速度计的温度自补偿方法

1.本发明涉及计算机技术领域，具体涉及加速度计及加速度计的温度自补偿方法。


背景技术：

2.加速度计是微机电系统(micro electro mechanical system，mems)中的一种惯性器件，因其测量精度高、灵敏度高等特点受到广泛关注。谐振式加速度计是一种通过检测谐振梁输出频率的变化来敏感运动载体加速度信息的惯性器件，其敏感结构采用mems体硅工艺制备，频率信号可直接与数字电路相连，传输过程抗干扰能力强，且动态范围大。
3.谐振式加速度计对温度的敏感度很高，器件内部散热和外界温度发生微弱的变化时，都会对器件灵敏度产生影响，进而产生较大的温度漂移。温度对mems加速度计产生影响的主要原因包括以下几个方面：
4.1、单晶硅杨氏模量具有很强的温度依赖性，直接影响谐振梁的谐振频率。
5.2、支撑结构、耦合放大结构的热膨胀作用。
6.3、在加工过程中，由于工艺原因所产生的残余应力会随温度的改变而影响传感器的工作状态等等。
7.上述这些因素的共同作用会导致敏感变量、弹性系数、阻尼系数、谐振频率等参数随温度发生变化。
8.近年来，国内外研究机构针对各自谐振器的特点，采用了不同的温度补偿方法来提高谐振频率的稳定性。具体有如下两方面：
9.一方面，从结构层面出发，结构层面的方法有改进结构、优化加工工艺等，该方法缺点是对加工工艺要求高，不可调节且补偿范围小。
10.另一方面，从电气层面出发，电气层面的方法包括从源头控温及建模两种方法。一种从源头控温需要给加速度计构建恒温环境，该方法主要缺点为场景受限，增加成本及功耗。另一种建模法主要是对进行温度实验的基础上建立加速度计特性参数的温度模型并对温度系数进行标定，从而实现加速度计的温度补偿。
11.然而传统的建模法需要通过外部温度传感器来实现温度补偿，但这种方法存在温度场分布不确定、热传导延迟等问题。在此基础上，采用温度自补偿方法，可以利用传感器自身性质，通过测量两个谐振梁的频率，再进行标定拟合，完成温度补偿，而不需要外部温度传感器。现有的硅微谐振式加速度计温度自补偿方法中，往往需要对加速度、温度两项的系数进行标定，即需要进行矩阵运算，运算量较大，耗时较长。
12.综上，目前亟需一种加速度计的温度自补偿技术，用于解决上述现有技术存在的问题。


技术实现要素：

13.由于现有方法存在上述问题，本发明实施例提出加速度计及加速度计的温度自补偿方法。
14.第一方面，本发明实施例提供了一种加速度计，包括谐振器、静电力加载模块、敏感质量块、杠杆结构以及接口电路；
15.所述静电力加载模块包含静电力调控模块、静电力加载装置以及开关；
16.所述静电力调控模块通过所述开关与所述静电力加载装置相连；
17.所述静电力加载装置位于所述敏感质量块的中心；
18.所述敏感质量块与所述谐振器通过所述杠杆结构连接；
19.所述谐振器包含谐振梁、驱动电极以及检测电极，所述驱动电极、所述检测电极与所述接口电路相连；
20.所述杠杆结构包含输入梁以及输出梁，所述杠杆结构的输入梁与所述敏感质量块相连，所述杠杆结构的输出梁与所述谐振梁相连。
21.进一步地，所述静电力调控模块包括低噪声直流电压产生模块、电压调节模块以及调控信号产生模块；
22.所述低噪声直流电压产生模块用于产生驱动电压；
23.所述调控信号产生模块用于产生控制信号；
24.所述电压调节模块通过所述控制信号调节所述低噪声直流电压产生模块产生的所述驱动电压的大小。
25.进一步地，所述静电力加载模块通过所述控制信号确定所述开关的连接方式。
26.进一步地，所述静电力加载装置采用梳齿结构；
27.所述静电力加载装置包含所述梳齿结构的定齿电极以及动齿电极；
28.所述定齿电极通过锚点固定；
29.所述动齿电极与所述敏感质量块相连；
30.所述动齿电极用于带动所述敏感质量块运动并产生加速度。
31.第二方面，本发明实施例提供了一种基于上述第一方面的加速度计的温度自补偿方法，包括：
32.获取所述静电力调控模块产生的驱动电压以及所述谐振器的输出频率；
33.根据所述驱动电压确定可调静电力；
34.根据所述可调静电力以及所述谐振器的输出频率确定所述加速度计进行温度自补偿后的加速度。
35.进一步地，所述可调静电力包括第一可调静电力以及第二可调静电力；
36.所述第一可调静电力与所述第二可调静电力大小相同，方向相反。
37.进一步地，在所述获取所述静电力调控模块产生的驱动电压以及所述谐振器的输出频率之前，还包括：
38.建立以所述谐振器的输出频率为因变量，实际待测加速度、所述可调静电力产生的可调静电力加速度以及温度为自变量的关系；其中，所述实际待测加速度、所述可调静电力产生的可调静电力加速度为加速度项；所述加速度项包含加速度项系数；所述温度包含频率温度系数。
39.进一步地，所述根据所述可调静电力以及所述谐振器的输出频率确定所述加速度计进行温度自补偿后的加速度，包括：
40.根据所述可调静电力以及所述谐振器的输出频率确定所述加速度项系数；
41.通过在温控箱中标定拟合得到所述频率温度系数；
42.根据所述加速度项系数、所述频率温度系数以及所述谐振器的输出频率确定所述加速度计进行温度自补偿后的加速度。
43.第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第二方面所述的加速度计的温度自补偿方法。
44.第四方面，本发明实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第二方面所述的加速度计的温度自补偿方法。
45.由上述技术方案可知，本发明实施例提供的加速度计及加速度计的温度自补偿方法通过引入可调静电力并根据加速度计自身频率温度特性进行温度自补偿，无需外部温度敏感元件，可以克服温度场分布不确定以及热传导的时间延迟导致的温度测量不准确的问题，实现更高精度的温度补偿，从而使加速度计的输出加速度值更加准确。
附图说明
46.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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
47.图1为本发明一实施例提供的加速度计的结构示意图；
48.图2为本发明一实施例提供的加速度计的结构示意图；
49.图3为本发明一实施例提供的加速度计的温度自补偿方法的方法流程示意图；
50.图4为本发明一实施例提供的加速度计的加速度补偿效果示意图；
51.图5为本发明一实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
52.下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
53.图1示出了为本发明实施例提供的一种加速度计的示意图，包括谐振器100、静电力加载装置220、敏感质量块300、杠杆结构400以及接口电路500。
54.进一步地，图2示出了为本发明实施例提供的一种加速度计的静电力加载模块的示意图。
55.具体的，静电力加载模块200包含静电力调控模块210、静电力加载装置220以及开关230；
56.静电力调控模块210通过开关230与静电力加载装置220相连；
57.静电力加载装置220位于敏感质量块300的中心；
58.敏感质量块300与谐振器100通过杠杆结构400连接；
59.谐振器100包含谐振梁110、驱动电极120以及检测电极130，驱动电极120、检测电极130与接口电路相连500。
60.具体的，谐振梁的一端与杠杆结构的输出梁相连，另一端与锚点相连。
61.进一步地，本发明实施例中，谐振梁用于在感受杠杆结构的输出梁传导过来的应力变化后，改变谐振频率，驱动电极、检测电极与接口电路相连，驱动谐振梁谐振，同时检测谐振梁位移。
62.需要说明的是，所使用的谐振梁为双端固支梁。
63.本发明实施例中，驱动电极与谐振梁、检测电极与谐振梁之间形成平行板执行结构
64.进一步地，两个谐振器在同一芯片上且使用相同工艺制作而成，所以它们具有相似的频率温度系数。此外，本发明实施例提供的加速度计尺寸非常小，两个谐振器相距较近，所处的温度梯度相同，也就是说，在相同温度下两个谐振器产生的频率漂移相同。
65.具体的，杠杆结构包含输入梁以及输出梁，杠杆结构的输入梁与敏感质量块相连，杠杆结构的输出梁与谐振梁相连。
66.本发明实施例中，敏感质量块由支撑结构支撑，支撑结构的一端与敏感质量块相连，另一端通过锚点固定。
67.需要说明的是，支撑结构的支撑梁为悬臂梁。
68.进一步地，静电力调控模块包括低噪声直流电压产生模块、电压调节模块以及调控信号产生模块；
69.低噪声直流电压产生模块用于产生驱动电压；
70.调控信号产生模块用于产生控制信号；
71.电压调节模块通过控制信号调节低噪声直流电压产生模块产生的驱动电压的大小。
72.具体的，低噪声直流电压产生模块产生驱动电压，电压调节模块通过调控信号产生模块的控制信号调节驱动电压的大小。
73.进一步地，静电力加载模块通过控制信号确定开关的连接方式。
74.也就是说，静电力加载模块中开关的控制信号也由调控信号产生模块生成，从而控制开关的连接方式。
75.举例来说，当调控信号产生模块生成低电平信号时，开关置于s1；当调控信号产生模块生成高电平信号时，开关置于s2。
76.需要说明的是，静电力调控模块可用现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array，fpga)等硬件平台实现，本发明实施例对此不做具体限定。
77.进一步地，静电力加载模块的结构如图2所示，包括静电力调控模块、静电力加载装置以及开关。
78.进一步地，本发明实施例中，静电力加载装置采用梳齿结构；
79.静电力加载装置包含梳齿结构的定齿电极以及动齿电极；
80.定齿电极通过锚点固定；
81.动齿电极与敏感质量块相连；
82.动齿电极用于带动敏感质量块运动并产生加速度。
83.需要说明的是，静电力加载装置可以为梳齿结构，也可以为平行板结构。平行板结构中，其电容与位移不是线性关系，本发明实施例采用梳齿结构，相较于平行板结构减小了
非线性。
84.进一步地，静电力加载装置运用的原理如下：
85.静电力加载装置安装在敏感质量块的中心，包括梳齿结构的定齿电极及动齿电极。
86.其中，定齿电极通过锚点固定，动齿电极与敏感质量块相连，可以带动敏感质量块运动，产生加速度。
87.具体的，开关的一端连接静电力调控模块，另一端连接定齿电极1以及定齿电极2。定齿电极用于施加驱动电压，动齿电极接地。
88.进一步地，改变开关连接方式即可控制导通路线，控制驱动电压施加于定齿电极1或定齿电极2，便可产生大小相同、方向相反的可调静电力，从而控制可调静电力产生的可调加速度的方向。
89.本发明实施例中，当外界输入的加速度作用于振动平面内时，敏感质量块在外界加速度的影响下产生惯性力，通过杠杆的放大作用到谐振器上，导致谐振器谐振频率发生改变，也就是说，检测出谐振器的谐振频率变化即可推算出外界加速度大小。
90.进一步地，为了更好的解释本发明实施例，将图1所示的加速度计中的两个谐振器分为命名为第一谐振器以及第二谐振器，其正常工作状态下输出频率分别为f1，f2。
91.本发明实施例中，加速度计的谐振器频率温度灵敏度较高，同时考虑加速度输入，其值f1，f2是以加速度和温度为变量的二元函数。设计加速度计时，要求量程范围在比例因子的深线性区，也就是说，谐振器频率与加速度成线性关系。
92.具体的，通过静电力调控模块产生驱动电压，作用于静电力加载装置。
93.需要说明的是，静电力调控模块通过fpga控制数模转换器(digital to analog converter，dac)芯片实现。
94.具体的，低噪声直流电压产生模块利用低压差线性稳压器(low dropout regulator，ldo)实现，电压调节模块利用可编程增益放大器(programmable variable gain amplifier，pvga)实现，调控信号产生模块通过fpga产生dac输入码流、pvga的增益控制信号和静电力加载模块中开关控制信号。
95.进一步地，静电力调控模块输出电压的第一级调控由dac完成，其中ldo作为dac的参考源；第二级调控由pvga完成，得到精准可控的输出电压v0。控制信号控制静电力加载模块中开关的连接方式。
96.本发明实施例中，通过静电力加载模块产生可调静电力，将可调静电力施加于敏感质量块，产生精确的可调静电力带来的可调静电力加速度ae。
97.具体的，本发明实施例所采用的静电力加载模块如图2所示，静电力加载装置位于敏感质量块中心，采用梳齿结构，主要结构为梳齿的定齿电极与动齿电极，梳齿结构的动齿电极直接与敏感质量块相连接，定齿电极通过锚点固定。
98.需要说明的是，在本发明实施例中，动齿电极接地，当开关接通s1端，使驱动电压v0加载到定齿电极1上时，产生可调静电力带动敏感质量块运动，产生可调静电力加速度ae。当开关接通s2端，使驱动电压v0加载到定齿电极2上时，产生相反方向的可调静电力带动敏感质量块向相反方向运动，产生相反方向的可调静电力加速度
‑
ae。
99.基于上述加速度计，图3示例性的示出了本发明实施例提供的一种加速度计的温
度自补偿方法的流程。该流程可以由上述加速度计执行。
100.如图3所示，该流程具体包括：
101.步骤301，获取静电力调控模块产生的驱动电压以及谐振器的输出频率。
102.步骤302，根据驱动电压确定可调静电力。
103.步骤303，根据可调静电力以及谐振器的输出频率确定加速度计进行温度自补偿后的加速度。
104.具体的，本发明实施例中在步骤301之前，建立以谐振器的输出频率为因变量，实际待测加速度、可调静电力产生的可调静电力加速度以及温度为自变量的关系。
105.需要说明的是，其中，所述实际待测加速度、所述可调静电力产生的可调静电力加速度为加速度项；所述加速度项包含加速度项系数；所述温度包含频率温度系数。
106.进一步地，根据加速度计输出频率二元函数模型，引入可调静电力带来的加速度ae，即：
[0107][0108]
需要说明的是，其中，k1、k3为加速度项系数，k2、k4为频率温度系数，a为实际待测加速度，t为温度值，ae为可调静电力带来的加速度项，f10、f20为两路谐振器输出频率。f10’、f20’为产生相反方向ae时两路谐振器的输出频率。
[0109]
本发明实施例中，可调静电力包括第一可调静电力以及第二可调静电力；
[0110]
第一可调静电力与第二可调静电力大小相同，方向相反。
[0111]
上述方案，由于产生的可调静电力的方向相反，是的加速度计二元函数模型以差分形式实现，从而抑制共模噪声。
[0112]
本发明实施例在步骤303中，根据可调静电力以及谐振器的输出频率确定加速度项系数；
[0113]
通过在温控箱中标定拟合得到频率温度系数；
[0114]
根据加速度项系数、频率温度系数以及谐振器的输出频率确定加速度计进行温度自补偿后的加速度。
[0115]
上述方案，通过引入可调静电力并根据加速度计自身频率温度特性进行温度自补偿，无需外部温度敏感元件，可以克服温度场分布不确定以及热传导的时间延迟导致的温度测量不准确的问题，实现更高精度的温度补偿，从而使加速度计的输出加速度值更加准确。
[0116]
基于上述本发明实施例提供的加速度计的温度自补偿方法的描述，下面详细说明加速度计的整体工作步骤：
[0117]
步骤一：开关接通s1端，v0加载到定齿电极1，同时采集得到f10’、f20’。
[0118]
需要说明的是，输出频率的测量可以选择多周期同步采样法，本发明实施例对此不做具体限定。
[0119]
进一步地，其具体实现步骤如下：
[0120]
1、设定门限时间g0；
[0121]
2、等待门限时间到达，锁存当前填充脉冲个数；
[0122]
3、由脉冲个数得到f10’、f20’。
[0123]
步骤二：开关接通s2端，v0加载到定齿电极2，同样用多周期同步采样法，采集得到输出频率f10、f20。
[0124]
步骤三：基于静电力学原理，可调静电力与驱动电压的平方成线性关系，具体计算公式如下：
[0125][0126]
需要说明的是，其中，c0为极板间电容，d为极板间距。ae与驱动电压的平方v0的平方成线性关系。
[0127]
进一步地，本发明实施例中，根据公式f＝ma计算出ae的值。
[0128]
步骤四：根据以谐振器的输出频率为因变量，实际待测加速度、可调静电力产生的可调静电力加速度以及温度为自变量的关系，分别联立f10、f10’和f20、f20’，解得k1、k3，具体的计算公式如下：
[0129][0130]
步骤五：将加速度计置于温控箱中进行标定，选取一定区间内的(t1，t2，
……
,t
n
)，同时采集(f
t1
，f
t2
，
……
)，记录标定点参数，采用最小二乘法拟合得出频率温度系数k2、k4。
[0131]
步骤六：通过上述步骤一至五，得到加速度项系数k1、k3以及频率温度系数k2、k4。并将系数存到寄存器中，同时参考步骤一，得到加速度计正常工作情况下实际输出频率f1、f2,，联立f10、f20或f10’、f20’，调用乘法器和加法器资源，便可通过测量加速度计的输出频率反算出补偿后的加速度即实际输出的加速度a’，具体如下：
[0132]
a'＝a(f1,f2)
[0133]
具体的，采集两路谐振器实际输出频率可采用多周期同步采样法、延时链法、移相时钟计数法等方法等进行测频，本发明实施例对此不做具体限定。
[0134]
本发明实施例中，块将系数k1～k4存入寄存器，通过公式a'＝a(f1,f2)，将测得的输出频率和存储的系数结合，进行乘加运算，完成实际加速度计算。
[0135]
进一步地，实现实际加速度计算以及输出频率的测量可以采用fpga等硬件平台实现。
[0136]
上述方案，通过建立模型并引入可调静电力进行温度自补偿的方法，使得加速度项系数通过引入静电力后基于静电力原理即可得出，再通过标定拟合得到频率温度系数。一方面，无需进行同时标定两项自变量系数的复杂矩阵运算，降低了运算量和复杂度，提高效率。另一方面，本发明实施例的硬件实现系统能够实时加载可调静电力，具备加速度计实时在线补偿的优点。此外，频率采集结合加速度解算的实现流程简单迅速，相比一般的硬件实现系统，解算方式简单，节省了硬件资源，降低了装置复杂度，也没有使用加热方式控制加速度计所处环境温度的方法，系统功耗较小。
[0137]
进一步地，图4为加速度补偿效果图，可以看出，补偿前的加速度随温度变化受影响较大，补偿后的加速度几乎不随温度变化产生漂移，补偿后的误差约为补偿前的1％。
[0138]
基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种电子设备，参见图5，所述电子设备具体包括如下内容：处理器501、存储器502、通信接口503和通信总线504；
[0139]
其中，所述处理器501、存储器502、通信接口503通过所述通信总线504完成相互间的通信；所述通信接口503用于实现各设备之间的信息传输；
[0140]
所述处理器501用于调用所述存储器502中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述加速度计的温度自补偿方法的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：获取所述静电力调控模块产生的驱动电压以及所述谐振器的输出频率；根据所述驱动电压确定可调静电力；根据所述可调静电力以及所述谐振器的输出频率确定所述加速度计进行温度自补偿后的加速度。
[0141]
基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述加速度计的温度自补偿方法的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：获取所述静电力调控模块产生的驱动电压以及所述谐振器的输出频率；根据所述驱动电压确定可调静电力；根据所述可调静电力以及所述谐振器的输出频率确定所述加速度计进行温度自补偿后的加速度。
[0142]
此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，用户生活模式预测装置，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0143]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0144]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，用户生活模式预测装置，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的用户生活模式预测方法。
[0145]
此外，在本发明中，诸如“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，
例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0146]
此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0147]
此外，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0148]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。