采用数字校正、PWM反馈技术的硅微加速度计
硅微谐振式加速度计温漂补偿研究
8传感器与微系统(Tmns U ucer and Micro s ystem Technomgie r[2021年第40卷第5期DOI：10.J3873/J.100-9787(2021)05-0008-04硅微谐振式加速度计温漂补偿研究张含1,2,丁徐错12,李宏生V(1.东南大学仪器科学与工程学院，江苏南京210096；2.东南大学微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室，江苏南京210096)摘要：硅微谐振式加速度计的输出信号是由谐振频率反映的,谐振频率的特性决定了仪表的精度。
但加速度计的谐振频率具有温敏特性，当温度变化时,便会产生测量误差。
为了减小这一影响，结合加速度计的外围控制系统，在分析加速度计谐振频率、控制电压随温度变化规律的基础上,设计加速度计零偏的补偿方法。
利用数据拟合，建立加速度计谐振偏移频率与控制电压的模型，基于模型完成加速度计零偏的温度补偿工作。
针对该方法的有效性，进行了全温实验验证,结果表明:应用该补偿方法，在-20~30t之间,相较于补偿前的加速度计零偏漂移减小了66.5%o关键词：频率温度特性;控制电压;品质因数;温度补偿中图分类号：TP21/文献标识码：A文章编号：100-9787(2021)05-048-04Study on temperature drift compensstion on siliconmicro resonani accelerrmeterZHANG Hnn1^2,DICG Xukal1,,LI Hopgsheng1^2(1.School of Instrameni Science and Engioeering,SoutUeesi University,Nanjing21096,China;2.Key Laboratory of Micro-inertiai1肌1011116就and Advanced Navioation Technology of MinisUy of Educotion,SoutUersi University,Nanjing210096,China)AbstrocU:Output sianai of silicoo micm-msopant accelerometes is mflectel by m r coant fmqpench,whichdetermines pmcisioo of instrumeet.But110X8/fmqpench of accelerometes has temperature-seesitivecharacteristic.When temperature changes,measumment will occus. To reluce this in/uence,peripheraicoxtroi system of the accelerometes is apalyzel.On the basis of apalyzing ox law that the msoxant fmquench andcoxtroi vaVape of the accelerometes vary with temperature:the compensatiox methoP of zero bias for accelerometesis desivnel.The moPei for sesoxant offset frequency and coxtroi voVape of accelerometes is estaPVshel by datafitting,and the temperature compensatiox of deviatiox of accelerometes is accompfshel basel ox the moPei.Fulltemperature experiments are carkel out to verify the raliditu of this methoP.The results show thas between thetemperature range of—20~301,the zero bias drift of accelerometes is relucel by66.5%comparel with thas ofthe accelerometes before compensatiox.Keywords：frequency temperature charactekshc；coxtroi vvltage;quaPtu factor;temperature compensatiox0引言硅微谐振式加速度计是基于微机械加工工艺的一种微机电系统(micro-electre-mechapincai system,ME M S)惯性器件，是近年来微传感器研究的热点之一。
时分复用数字闭环电容式微加速度计接口电路
时分复用数字闭环电容式微加速度计接口电路储宜兴;池保勇;刘云峰;董景新【摘要】为实现电容式微加速度计的数字输出闭环,设计了一种数字输出闭环ASIC(Application Specific Integrated Cir-cuit)接口电路,以降低电路输出噪声并提高测量量程.对已有的电容式微加速度计ASIC电路进行了改进,分时段在中间极板上加载差分电容读出信号和由脉宽调变(PWM)波控制的反馈信号,然后由控制器实现闭环,利用Sigma Delta调制器实现模数转换.通过分析差分电容读出电路和Sigma Delta调制器的原理和特性,建立了该数字输出闭环电容式微加速度计的模型,进行了系统的设计与仿真.实验结果表明,该数字输出闭环电容式微加速度计的噪声水平为9.6μg/√Hz,量程为±39.这些结果验证了时分复用方案的可行性和本文所提出模型的正确性.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2015(023)012【总页数】7页(P3350-3356)【关键词】电容式微加速度计;数字闭环;接口电路;Sigma Delta调制器;时分复用【作者】储宜兴;池保勇;刘云峰;董景新【作者单位】清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室,北京100084;清华大学微电子学研究所,北京100084;清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室,北京100084;清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室,北京100084【正文语种】中文【中图分类】TH824.4;U666.11 引言微加速度计是一种利用微机械加工工艺制造的惯性传感器，因具备体积小、噪声低、精度高等优点被广泛应用于惯性导航、汽车安全、智能手机等领域［1］。
电容式闭环微加速度计通过检测敏感质量块的位移变化趋势并施加静电反馈力，保持动极板在平衡位置，其施加的静电力可反映输入加速度［2］。
由于机械敏感结构的电容变化较微弱，对寄生参数异常敏感，加上微加速度计的输出随温度漂移，制约了其测量精度。
硅微加速度计调研报告
I. 近十年硅微电容式加速度计发展综述I.1. 概述MEMS加速度计具有非常广泛的应用，由于其批量制造低成本的特性，在过去的若干年广泛应用于消费电子市场，取得了巨大的成功。
然而MEMS加速度计的发展并不止步于此，新的研究成果不断出现，使人们相信MEMS加速度计不仅能在其擅长的小型化低成本低功耗方向更进一步，而且还具有冲击中高性能应用的潜力。
MEMS电容式加速度计主要有两种实现形式，一种是面内检测(In-plane)，另外一种是面外检测(Out-of-plane)，也就是z轴敏感的加速度计。
而两者对比见下表所示：同时在04年以前的工作中，硅微加速度计的精度在不断提高，同时面内和面外敏感的加速度计由于其各有特点，应用目标也不尽相同，因此都取得了很大的进步。
下图为04年前电容式加速度计的发展趋势，可以看出面外传感的加速度计在性能上相对面内传感的结构有优势。
同时加速度计的性能也在按照类似摩尔定律的规律提升。
从05年到15年，硅微电容式加速度计又经历了一段发展时期，展现出了两条相对独立的发展路线，逐渐诞生了一些产品可以适用于高端应用领域。
同时也在低成本方面有了进一步的突破。
I.2. 主要团队成果介绍A. Colibrys结构简介：其目标定位实现一系列高性能MEMS加速度计，可能用于飞行器航姿稳定系统以及更严格的空间应用。
因此采用了面外敏感（z轴敏感）的原理来实现高精度加速度计。
该公司代表性产品RS9000系列采用了一种三层硅的结构，如下图所示：每层硅片采用DRIE（深反应离子刻蚀）技术实现了非常厚的检测质量，从而降低了结构的布朗噪声。
提高了分辨率。
该三层结构中，顶层和底层为固定电极。
中间层为检测质量和支撑系统，同时三层硅通过一种Silicon Fusion Bonding（SFB）的键合技术连接在一起，保证了不同硅片之间的平衡性，同时也可以实现一个密封的腔体，从而能够控制结构所处环境的气体阻尼。
最新动态：在这个基础上，colibrys 2012年发表的文章介绍了一款导航级Sigma-Delta MEMS加速度计。
硅微加速度计的特性及应用研究
国防科学技术大学硕士学位论文硅微加速度计的特性及应用研究姓名：高强业申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：李圣怡20031101国防科学技术大学研究生院学位论文摘要集成电路及ＭＥＭＳ技术的高速发展，极大地促进了硅微惯性传感器的开发与应用。
目前在各个领域，硅微惯性传感器正呈现商业化、产业化的应用前景。
硅微惯性传感器的主要优点是：微型化、集成化、低成本、低功耗、可靠性高等。
但是，目前国内外研制出来的硅微惯性传感器大都精度较低，这在很大程度上限制了硅微惯性传感器的应用。
同时，在许多实际应用中，希望通过对加速度的测量来估计速度及位移。
鉴此，本论文以美国ＡＤＩ公司研制的双轴硅微加速度测量器件ＡＤＸＬ２０２作为主要研究对象，通过它测量运动物体的线加速度，进而运用一定的算法（主要是卡尔曼滤波）滤除噪声并估计出运动物体的速度和位移。
其主要内容有：１．对ＡＤＸＬ２０２的工作原理、一般特性进行详细地论述，对ＡＤＸＬ２０２的应用电路设计及校准进行探讨，并详细地阐述了本课题的实验系统，对ＡＤＸＬ２０２的静态特性和动态特性进行分析和研究；２．介绍一种建立加速度计状态空间模型的方法，并在此基础上，重点阐述标准卡尔曼滤波算法和Ｓａｇｅ＆Ｈｕｓａ自适应卡尔曼滤波算法及其应用，这是本论文重点论述的内容；３．巴特沃思（Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ）数字滤波器的设计和应用，以及滤波后加速度信号的积分运算，以估计出运动平台的速度及位移。
关键词：硅微加速度计，标准卡尔曼滤波器，自适应卡尔曼滤波器，状态估计，巴特浃思滤波器国防科学技术大学研究生院学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔａｎｄＭＥＭＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｃｃｅ］ｅｒａｔｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐ］ｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏ—Ｓｉｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｍｉｃｒｏ—Ｓｉｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒｉｓｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇｔｈｅｔｒｅｎｄｏｆｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎｅｖｅｒｙｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏ—Ｓｉｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒｈａｓｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｂｕ］ｋ，ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｃｏｓｔ，ｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｅｔｃ．Ｂｕｔ，ｔｈｅｌｏｗｐｒｅｃｉＳｊｏｎｏｆｍｉｃｒｏ—Ｓｉｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄｉｎａ１１ｃｏｕｎｔｒｉｅｓａｔｐｒｅｓｅｎｔｃｏｎｆｉｎｅｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒａｎｇｅｏｆｍｉｃｒｏ—Ｓｉｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒｔｏａｇｒｅａｔｅｘｔｅｎｔ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｍａｎｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｗａｎｔｔｏｅｓｔｉｍａｔｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｂｙｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ．Ｓｏ，ｔｈｉＳｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｃｏｎｓｉｄｅｒｓＡＤＸＬ２０２，ａｋｉｎｄｏｆｄｕａ］一ａｘｉＳａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｍａｄｅｏｆＡＤＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＵＳＡ，ａｓｔｈｅｓｔｕｄｙｏｂｊｅｃｔ，ａｎｄｆｉｌｔｅｒｔｈｅｎｏｉｓｅｕｓｅｓｔｈｅｓｐｅｃｉａｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｆｏｒｅｘａｍｐｌｅＫａｌｍａｎＦｉｌｔｅｒｉｎｇ，ｔｏａｄｕ］ｔｅｒａｔｉｎｇｉｎａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｍｅａｓｕｒｅｄｂｙＡＤＸＬ２０２ａｎｄｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｍｏｂｉｌｅ．Ｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｓｕｂｊｅｃｔｓａｒｅｉｎｃｌｕｄｅｄａｓｆｏｌｌｏｗ：１．ＩｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｓａｎｄＣｏＬｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＡＤＸＬ２０２．ＥｘｐａｔＪａｔｉｎｇｏｎｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆＡＤＸＬ２０２．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｓｕｂｊｅｃｔ．ＡｎａｌｙｓｉｎｇａｎｄｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｌｎｉＣｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＡＤＸＬ２０２ｄｅｅｐｌｙ．２．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇａｍｅｔｈｏｄｏｆｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｔｈｅｓｔａｔｅ—ｓｐａｃｅｍｏｄｅｌｏｆｍｉｃｒｏ＿＿ＳｉａｃｃｅＩｅｒｏｍｅｔｅｒ．Ｂａｓｉｎｇｏｎｉｔ，ｅｘｐａｔｉａｔｉｎｇｏｎｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｏｆｓｔａｎｄａｒｄＫａｌｍａｎＦｉＩｔｅｒｉｎｇａｎｄＳａｇｅ＆ＨｕｓａＡｄａｐｔｉｖｅＫａｌｍａｎＦｉｌｔｅｒｉｎｇ，ａｎｄｏｎｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．。
硅微电容式、隧道式加速度计检测技术研究的开题报告
硅微电容式、隧道式加速度计检测技术研究的开题报告一、背景介绍加速度计是一种广泛应用于工业生产、机械制造和航空航天等领域的传感器。
它能够检测物体在运动或受力的过程中的加速度。
目前，常见的加速度计有电容式、压电式、磁电式等多种类型。
其中，硅微电容式加速度计和隧道式加速度计被广泛应用，具有高灵敏度、高精确度、小体积和低功耗等优点。
硅微电容式加速度计是一种基于微机电系统（MEMS）技术制造的加速度计。
它采用硅晶圆作为ASIC芯片的基底，通过微细加工技术制造出微小的加速度感受器件，并与电路连接。
硅微电容式加速度计可以实现大范围的加速度检测，广泛应用于航空、汽车、电子等领域。
隧道式加速度计是一种基于量子力学原理的传感器。
它利用隧道效应来测量加速度。
隧道式加速度计具有高精确度、高灵敏度、小体积等优点，特别是在高精度导航、航天器姿态控制等领域中得到广泛应用。
然而，硅微电容式和隧道式加速度计在实际应用中也存在一些问题，如温度漂移、失效率高等。
因此，对硅微电容式和隧道式加速度计技术进行研究和改进，以提高其性能和应用范围具有重要意义。
二、研究目标本课题旨在研究硅微电容式和隧道式加速度计的检测技术，探索解决其存在的问题，提高其性能和稳定性。
具体研究目标如下：1. 研究硅微电容式和隧道式加速度计的工作原理和特点，分析其存在的问题和改进空间；2. 设计硅微电容式和隧道式加速度计的检测系统，包括传感器设计和数据采集系统，以实现对加速度的精确检测；3. 探讨硅微电容式和隧道式加速度计的温度漂移问题，并设计解决方案，提高其稳定性和精确度；4. 研究硅微电容式和隧道式加速度计的失效率问题，设计改进措施，提高其可靠性和寿命；5. 对实验数据进行分析和处理，验证所设计的检测系统的可行性和有效性。
三、研究内容1. 硅微电容式加速度计的检测技术研究（1）分析硅微电容式加速度计的工作原理，研究电容变化与加速度的关系；（2）设计硅微电容式加速度计的传感器和数据采集系统，建立检测系统；（3）实验验证传感器和检测系统的性能和精度；（4）分析硅微电容式加速度计的温度漂移原因，提出解决方案；（5）分析硅微电容式加速度计失效的原因和影响，提出改进措施。
采用数字校正、PWM反馈技术的硅微加速度计
１Ｓ ｕｈａｔ ｎｖｒｉ ． ｏ ｔｅｓ Ｕ ｉ ｓ ｙ，Ｉｓｒｍｅ ｔ ｃｅｃ ｎ ｎ ｉｅｒｎ ｐ ． ｎ Ｊｎ １ ０ ６ ｃ ｅ ｔ ｎｔｕ ｎ ｉｎｅ ｄ Ｅ ｇｎ ｅｉｇＤｅ ｔ Ｎａ ｇ ｉｇ ２ ０ ９ ， ＾Ｍ Ｓ ａ
பைடு நூலகம்
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ａｙ ｅ ． ｅｍａｈ ｍｏ ｅ ｆｃｏ ｅｌｏ ｙ ｔ ｍ ｓｅ ｔｂ ｉｈ ｄａ ｄ ｃ ｌ ｒ ｔｏ ｄ ｌ ｎ Ｓｒｇ ｏ ｓｄ ｓｇ ｅ ． ｌｚ ｄ Ｔｈ ｔ — ｄ ｌ ｌｓ －ｏ ｐ ｓ ｓｅ ｉ ｓａ ｌ ｅ ｎ ａｉ ａｉｎ ｍｏ ｕ ｅｉ ｅ ｉｎ ｉ ｅ ｉｎ ｄ ｏ ｓ ｂ
０ ｌ ｏ ０ ２ ０ ０ ３ ０ ０ ４ ｏｏ ５ ０ ０ ｏｏ ００ 采样 ０ｏ ｏ ０ ｏ ｏ ｏｏ ｏ０
点 数（） ｎ
路完成 ， 但校正环 节的元器件参数 漂移 （ 电阻温 如 漂、 运放的失调 电压漂移等） 系统 的性能影 响很 对
过静电力反馈来实现． 目前 ， 实现静电力平衡的方式 很多 ， 如模拟力反馈 ， ＷＭ 脉 宽调制信号反馈 ， Ｐ 以 及通过 ∑一△调制器得到脉冲密度输 出并反馈 等． 为了保证加速度计 闭环系统 的稳定性和动态性能， 需要 采用 相应 的校 正 环 节 ． 正环 节 一 般 由硬 件 电 校
Ｏｃ ． ０ ６ ｔ２ ０
硅微电容式加速度传感器
TJ-3通信接口性能特点
符合HART物理层FSK协议要求。 Bell 202 1200Hz（逻辑1）和2200Hz（逻辑0）频移键
控信号。 安装简单（附驱动程序）。 符合USB1.1和USB2.0标准。 直接USB接口供电，无须外界电源供给。 ABS超小外壳。 对HART环路很低的电流损耗（最大5μA @ 24Vdc）。 与现场仪表1500Vdc隔离。 0℃到70℃宽工作温度范围。
10
本安防爆型液晶显示表头
XMZ系列液晶数字显示表头New
11
线路连接
XMZ系列液晶数字显示表头表头用于 4~20mA回路电流的测量和显示，使用时 串联至回路中，即可工作。线路连接如
图1所示。
24V电源
XMZ 数显表头
现场设备
负载电阻
操作器
12
功能描述
输入信号 4～20mA DC 显示
5
HHT-2智能手持操作器
HART组态软件 HDC613New
掌上电脑型 智能手机型
6
HDC613的特点
自主开发HART组态软件HDC613（HART Device Configurator），配套TJ系列通信接口，符合HART协 议规范；
支持十余种主流HART协议现场智能仪表的调校、信息 设置、远程监控等操作，并将不断支持更多设备；
最大量程限值，每变化10℃。 启动时间：<2s。
4
第二代智能电子部件性能指标
最大可调量程代码：100:1 精确度：对DP、GP 变送器，量程代号4~8，量程比10:1 以内时，为
±0.1%量程；量程比大于10:1 时，为量程的±0.05*(1+0.1*量程比)%。 其它变送器和其它量程，以上误差值将增加一倍。 温度影响：（对于DP、GP 类变送器，量程代号4~8，量程比5:1以内） 零点误差=±0.25%最大量程限值，每变化28℃ 总误差=±0.5%最大量程限值，每变化28℃ 其它变送器和其它量程，以上误差值将增加一倍。 EMC 抗扰度水平：按照GB/T18268-2000 标准附录A 规定的试验要求， 各项测试达到“连续非监控运行”所要求的判据。 液晶模块：可显示数值范围-19999~19999；可显示单位有%、mA、kPa、 Pa、MPa、mmH2O；进度条显示压力百分量程；状态信息显示。 新增智能功能：变量液晶显示，显示内容可通过HART 设定；传感器、 连接线故障诊断及自恢复；传感器组态参数独立存放；组态参数备份与 恢复；特殊命令实现新增特殊功能操作。