一種新型mems電容式加速度計(jì)溫度補(bǔ)償電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于慣性傳感器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種集成了溫度補(bǔ)償模塊的電容式加 速度計(jì)讀出電路。
【背景技術(shù)】：
[0002] MEMS加速度計(jì)是體感技術(shù)、慣性制導(dǎo)等領(lǐng)域的關(guān)鍵器件，具有微型化，低成本，與 集成電路工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)。其中MEMS電容式加速度計(jì)更具有高靈敏度，低噪聲的優(yōu)勢。然 而作為硅基器件，MEMS加速度計(jì)溫度穩(wěn)定性較差，為了應(yīng)用在高精度或者大溫差的場合，可 以使用溫度補(bǔ)償技術(shù)來降低溫漂。
[0003] 目前加速度計(jì)的溫度補(bǔ)償技術(shù)可以分為兩個(gè)步驟：第一步，模型辨識，即通過溫度 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)擬合出加速度計(jì)溫度模型參數(shù)；第二步，實(shí)時(shí)補(bǔ)償，即根據(jù)模型實(shí)時(shí)地調(diào)整可編程 放大器的增益和偏置，輸出經(jīng)過補(bǔ)償?shù)男盘?，或者更簡單地，直接在后級電路根?jù)模型對輸 出信號進(jìn)行實(shí)時(shí)地校正。文獻(xiàn)【1】【2】就都采用后面一種做法，即片上集成的溫度補(bǔ)償模 塊直接在模擬信號模塊的后級對其輸出電壓進(jìn)行校正。還有的文獻(xiàn)【3】采用的讀出電路并 沒有集成溫度補(bǔ)償裝置，需要在PCB板上焊接單片機(jī)或FPGA來實(shí)施溫度補(bǔ)償在焊接過程中 很多不可靠因素，比如虛焊、短路等問題。
[0004] 本發(fā)明公開一種新型的溫度補(bǔ)償裝置，把溫度補(bǔ)償所需的插值運(yùn)算單元及其所需 要的ROM存儲(chǔ)器集成到讀出電路芯片當(dāng)中，通過實(shí)時(shí)地調(diào)整電荷放大器的增益和偏置的方 式，補(bǔ)償由溫度引起的信號變化，能夠降低成本和應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高加速度計(jì)最終產(chǎn) 品的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明公開一種新型的帶有溫度補(bǔ)償模塊的加速度計(jì)讀出電路，電路主要包括溫 度傳感器模塊，增益和偏置可編程的電荷放大器，差值運(yùn)算單元及其所需要的ROM存儲(chǔ)器， 以及一個(gè)簡單的邏輯控制器。溫度補(bǔ)償是由芯片中的運(yùn)算單元自動(dòng)進(jìn)行的，在最終的應(yīng)用 系統(tǒng)上不需要使用單片機(jī)或FPGA。
[0006] 說明書附圖1為加速度計(jì)系統(tǒng)原理圖，其中包括電容式加速度計(jì)模塊，增益和偏 置可編程控制的模擬電荷放大器，低通濾波器以及溫度補(bǔ)償模塊。模擬電荷放大器由模擬 運(yùn)算放大器和可編程控制的電容陣列CS1，CS2, CF構(gòu)成。
[0007] 說明書附圖2為溫度補(bǔ)償模塊邏輯框圖，其中包括移位寄存器1，溫度傳感器，A/ D轉(zhuǎn)換器，移位寄存器2,插值運(yùn)算單元，EEPR0M，控制器。移位寄存器1用于緩存當(dāng)前溫 度下所應(yīng)當(dāng)采用的控制參數(shù)（CS1，CS2, CF)的數(shù)值其輸出直接控制電容陣列CSl，CS2, CF 接入的容值。移位寄存器1既可以接受來自外部的串行輸入數(shù)據(jù)，也可以接受插值運(yùn)算單 元輸出的并行數(shù)據(jù)。A/D轉(zhuǎn)換器可以在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中由外部觸發(fā)信號觸發(fā)，記錄采樣溫度值 于EEPROM的溫度數(shù)據(jù)表中，也用于在實(shí)時(shí)補(bǔ)償過程中接受由控制器產(chǎn)生的定時(shí)內(nèi)部觸發(fā) 信號，給出當(dāng)前溫度信息。插值運(yùn)算單元本質(zhì)是一個(gè)乘加運(yùn)算單元，用于實(shí)現(xiàn)牛頓插值算 法。移位寄存器2用于在實(shí)時(shí)補(bǔ)償過程中維護(hù)一個(gè)溫度隊(duì)列，新插入的溫度采樣值保存在 隊(duì)尾，同時(shí)移除隊(duì)首的采樣值用于溫度補(bǔ)償?shù)挠?jì)算。EEPROM用于記錄電路的工作模式（0代 表補(bǔ)償模式，非〇代表標(biāo)定模式），溫度采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)表、各溫度下應(yīng)當(dāng)施加的控制參數(shù)（即 CS1，CS2，CF的容值）的數(shù)據(jù)表。控制器能夠產(chǎn)生若干控制信號，包括插值運(yùn)算單元使能信 號，A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部觸發(fā)信號，移位寄存器1的串行輸入/并行輸入選擇信號。
[0008] 所述溫度補(bǔ)償模塊具有標(biāo)定和補(bǔ)償兩種工作模式，工作模式字節(jié)預(yù)先存儲(chǔ)在所 述EEPROM存儲(chǔ)器第一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)塊的某個(gè)固定地址當(dāng)中。在上電啟動(dòng)階段，所述控制器讀 取該地址處的字節(jié)數(shù)據(jù)，若該字節(jié)為0,則工作在補(bǔ)償模式，如說明書附圖2所示，其過程 為：所述差值運(yùn)算使能信號有效，所述移位寄存器工作在并行輸入模式，控制器定時(shí)在所述 內(nèi)部轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號線上產(chǎn)生脈沖信號以讀取當(dāng)前溫度，然后控制器在一個(gè)有限循環(huán)內(nèi)遍歷 EEPROM里面存儲(chǔ)的所述溫度采樣點(diǎn)線性表和所述各個(gè)控制參數(shù)（CS1，CS2, CF)相關(guān)線性 表，在線性時(shí)間內(nèi)通過牛頓插值算法計(jì)算出當(dāng)前溫度下所應(yīng)采取的控制參數(shù)CS1，CS2, CF 的數(shù)值。
[0009] 若控制器在啟動(dòng)階段讀取的工作模式字節(jié)非0,則工作在標(biāo)定模式，如說明書附 圖3所示，其過程為：所述插值值運(yùn)算使能信號無效，所述移位寄存器工作在串行輸入模 式，由外部輸入CSl，CS2, CF的數(shù)值，外部在輸入上述數(shù)據(jù)之后通過萬用表或數(shù)據(jù)采集儀同 步地測量加速度計(jì)的輸出電壓V0UT，在每個(gè)溫度采樣點(diǎn)通過上述方式輸入多組控制參數(shù) CS1，CS2, CF并記錄對應(yīng)的輸出電壓V0UT，據(jù)此計(jì)算出各個(gè)溫度采樣點(diǎn)下所應(yīng)采取的控制 參數(shù)；在每個(gè)溫度點(diǎn)下還應(yīng)通過A/D轉(zhuǎn)換器的外部觸發(fā)信號線觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器采樣溫度傳 感器的電壓，并把該數(shù)值順序記錄在所屬EEPROM當(dāng)中；當(dāng)標(biāo)定完成并處理完數(shù)據(jù)之后由外 部把處理結(jié)果（即各個(gè)溫度下為了消除溫漂，所應(yīng)采取的控制參數(shù)CS1，CS2，CF的數(shù)值）寫 入 EEPROM 中。
[0010] 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)完成之后還需要把工作模式字節(jié)改為〇,以便下次啟動(dòng)時(shí)進(jìn)入補(bǔ)償模式。
【附圖說明】：
[0011] 圖1加速度計(jì)系統(tǒng)原理圖
[0012] 圖2讀出電路溫度補(bǔ)償模塊邏輯框圖
[0013] 圖3補(bǔ)償工作模式流程圖
[0014] 圖4標(biāo)定工作模式流程圖
【具體實(shí)施方式】：
[0015] 一，溫度模型概述
[0016] 所述加速度計(jì)的靜態(tài)溫度模型為：
[0017]
[0018] 上述模型不僅考慮到加速度計(jì)零階和一階系數(shù)的溫漂，也考慮到激勵(lì)信號vp以 及偏置電壓voff的溫漂。
[0019] 設(shè)應(yīng)用要求的指標(biāo)為：標(biāo)度因子s〇,零點(diǎn)偏壓為v〇,那么由此得到溫度T條件下所 需的控制參數(shù)為
[0020]
[0021]
[0022] 二，實(shí)施溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)
[0023] 將包含加速度計(jì)、讀出電路的PCB電路板固定在安裝在恒溫箱中的分度頭上。PC 機(jī)通過串口與單片機(jī)連接，后者利用GPIO 口連接所述電路的移位寄存器串行輸入端，以及 A/D轉(zhuǎn)換器的外部觸發(fā)端口。PC機(jī)還可以通過額外的串口或者GPIB接口與數(shù)字萬用表相 連，用于同步的測量輸出電壓V0UT。
[0024] 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過程可以概述如下：控制恒溫箱產(chǎn)生某一個(gè)溫度，待溫度穩(wěn)定后，PC機(jī) 首先通過串口通信接口向單片機(jī)發(fā)送預(yù)設(shè)的控制參數(shù)，等待單片機(jī)向所述讀出電路寫入數(shù) 據(jù)之后，同步地通過GPIB接口控制數(shù)字萬用表采集當(dāng)前控制參數(shù)所對應(yīng)的輸出電壓VOUT ; 在每一個(gè)溫度采樣點(diǎn)，如此向讀出電路發(fā)送若干組獨(dú)立的控制參數(shù)CS1，CS2, CF，同時(shí)在這 些數(shù)據(jù)使能信號的作用下，所述讀出電路的外部A/D轉(zhuǎn)換器觸發(fā)信號也會(huì)收到有效信號， 讀出電路會(huì)自動(dòng)地累加當(dāng)前的溫度，最后把他們的平均值寫入到EEPROM中，待補(bǔ)償計(jì)算使 用；重復(fù)執(zhí)行以上步驟直到達(dá)到所需的采樣點(diǎn)數(shù)目。
[0025] 三，數(shù)據(jù)處理
[0026] 設(shè)溫度采樣點(diǎn)為Ti (i =0，1，…，N)，由溫度模型以及標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可以 計(jì)算出溫度Ti下所應(yīng)采取的CF[Ti]，CSl[Ti]，CS2[Ti]的數(shù)值。為了便于進(jìn)行牛頓差值計(jì) 算，并不直接把CF [Ti]，CSl [Ti]，CS2 [Ti]寫入EEPR0M，而是先對他們進(jìn)行一步預(yù)處理，求 出他們關(guān)于溫度T的各階均差，把這些均差存入EEPR0M。
[0027] 以CF為例，根據(jù)牛頓差值公式：
[0028] CF[T] - ⑴+D[x(l，xl，x2]f 2 ⑴+…+D[x(l，xl,...,xN]fN ⑴
[0029] 其中
[0030] fN(T) = (T-T0) (T-T1)... (T-V1)
[0031] D0 = CF [TO]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035] 由說明書附圖2所述補(bǔ)償算法流程可知，運(yùn)算單元在控制器的控制下只需執(zhí)行N 次乘加運(yùn)算即可得到當(dāng)前溫度T所需的控制參數(shù)CF[T].針對CS1，CS2進(jìn)行同樣地計(jì)算，把 得到的數(shù)據(jù)存入EEPROM當(dāng)中，最后把EEPROM中存儲(chǔ)的工作模式字節(jié)改為0,則下次啟動(dòng)即 可自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
[0036] 最后需要注意的是，公布實(shí)施方式的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng) 域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和 修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以 權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
[0037] 參考文獻(xiàn)：
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【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種包含溫度補(bǔ)償模塊的新型的加速度計(jì)讀出電路，其特征在于包含了由溫度傳感 器，A/D轉(zhuǎn)換器，插值運(yùn)算單元，控制器，EEPROM以及以及移位寄存器構(gòu)成的溫度補(bǔ)償模塊， 并且補(bǔ)償模塊能夠根據(jù)溫度變化實(shí)時(shí)地調(diào)整模擬電荷放大器的增益和偏置來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ) 償。2. 如權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)讀出電路，其特征在于具有兩種工作模式：溫度標(biāo)定 模式和溫度補(bǔ)償模式。工作模式字節(jié)存儲(chǔ)在EEPROM上的特定地址處。首先從外部改寫該 工作模式字節(jié)為溫度標(biāo)定模式。完成標(biāo)定實(shí)驗(yàn)之后把補(bǔ)償所需數(shù)據(jù)寫入EEPR0M，再把工作 模式改為溫度補(bǔ)償模式。在啟動(dòng)階段，通過控制器讀取EEPROM某特定地址處存儲(chǔ)的工作模 式字節(jié)來確定當(dāng)前工作模式。3. 如權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)讀出電路，其特征在于：為了降低讀出電路接口的復(fù) 雜性，所述的A/D轉(zhuǎn)換器的外部觸發(fā)信號線和所述移位寄存器的使能信號線復(fù)用。4. 如權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)讀出電路，其特征在于引入了能夠抵消加速度計(jì)和讀 出電路之間溫度響應(yīng)不同步的缺陷的機(jī)制：考慮到溫度傳感器當(dāng)前的采樣值對應(yīng)的溫度經(jīng) 過一個(gè)延時(shí)之后才能傳遞到傳感器，電路包含了一個(gè)具有能夠緩存多個(gè)溫度傳感器采樣值 的移位寄存器，形成一個(gè)溫度采樣值隊(duì)列，當(dāng)前的溫度采樣值插入到隊(duì)尾，對應(yīng)著當(dāng)前電路 的溫度，而隊(duì)列頭部的溫度采樣值則對應(yīng)著當(dāng)前傳感器的溫度，補(bǔ)償時(shí)把該值移除隊(duì)列進(jìn) 行計(jì)算。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種集成溫度補(bǔ)償模塊的電容式加速度計(jì)讀出電路。傳統(tǒng)的讀出電路在電荷放大器后級對輸出進(jìn)行校正，信號放大的同時(shí)，噪聲也放大相同的增益。本發(fā)明公開的讀出電路采用不同的處理辦法：溫度補(bǔ)償模塊通過改變相應(yīng)可變電容的容值來實(shí)時(shí)調(diào)整電荷放大器的增益和偏置，從而抵消溫漂。其優(yōu)點(diǎn)是有更高的信噪比。同時(shí)，為降低應(yīng)用復(fù)雜性，提供了簡單易用的數(shù)據(jù)接口，用戶僅需要通過GPIO設(shè)備以及PC即可完成標(biāo)定以及溫度補(bǔ)償功能。最后，考慮到溫度傳感器測得當(dāng)前溫度與加速度計(jì)感受到這個(gè)溫度之間有時(shí)間差，電路能夠緩存多個(gè)溫度采樣值，補(bǔ)償時(shí)采用該時(shí)間差之前的采樣值，從而提高補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)特性。
【IPC分類】G01P15/125
【公開號】CN104914275
【申請?zhí)枴緾N201410087875
【發(fā)明人】萬松, 張威, 蘇衛(wèi)國, 李宋, 陳廣忠, 徐楷斯
【申請人】北京大學(xué)
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2014年3月10日