量程可調式mems加速度計的參數標定方法
2023-06-20 16:12:31
量程可調式mems加速度計的參數標定方法
【專利摘要】本發明涉及一種量程可調式MEMS加速度計的參數標定方法，用於對由敏感結構和包括兩個補償電容的ASIC電路組成的MEMS加速度計進行標度因數以及補償電容的標定，其利用加速度計敏感結構的電容變化與輸入加速度間的線性關係，分別在加速度為-0g、0g、-1g和1g的四個狀態時採集數據，並擬合出補償電容與相關參數的二階曲線關係，從而預測期望參數所對應的一系列外部電容值，達到參數標定的目的。本發明的自動標定方案使得實際參數與目標參數之間偏離降至最低，解決了人工標定效率低、精度差的問題，該方法尤其適合商業化的批量生產，其標定速度快、精度高、可操作性強，誤差小，可以推廣至絕大多數採用通用電容讀取晶片的加速度計的參數標定。
【專利說明】量程可調式MEMS加速度計的參數標定方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種加速度計的參數標定方法。
【背景技術】
[0002]由於MEMS工藝限制，生產的加速度計個體間，結構均存在不同程度偏差，在交付用戶之前需要對其標定零位偏置、標度因數等相關參數，以確保量程、測量精度等符合用戶需求。目前對於量程可調式MEMS加速度計來說，只存在一些的參數辨識方案，如《加速度計的六位置標定》和專利《正交雙高精度加速度計的標定方法》等，其主要目的只是對加速度計的零位偏置、標度因數、誤差等係數等進行辨識，而不是對其進行更改和設置，故尚無高精度、高效率的加速度計自動標定方案。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種能夠高效率、高精度地對量程可調式的MEMS加速度計進行參數標定的方法。
[0004]為達到上述目的，本發明採用的技術方案是:
[0005]一種量程可調式MEMS加速度計的參數標定方法，用於對由敏感結構和包括兩個補償電容的ASIC電路組成的MEMS加速度計進行標度因數以及補償電容的標定，其包括
[0006](I)分別在所述的加速度計的輸入加速度為Ig和-1g時，採集所述的加速度計在所述的ASIC電路的一組特定增益下的一組輸出，所述的特定增益由一可變電容控制，即採集所述的加速度計在所述的可變電容的一組電容值下的一組輸出；
[0007]根據所獲得的所述的加速度計的兩組輸出得到所述的加速度計在一組所述的電容值下的一組標度因數，且得到由所述的標度因數和所述的電容值對應構成的一組數據對；
[0008]根據一組所述的數據對以及所述的標度因數和所述的電容值所滿足的二階模型進行擬合，獲得所述的二階模型中的係數，從而確定所述的標度因數和所述的電容值之間的曲線關係式；
[0009]假設所期望的標度因數並將其帶入所述的標度因數和所述的電容值之間的曲線關係式中，求解得到所述的可變電容的電容值的有效根，據此可變電容的電容值的有效根而完成所述的標度因數的標定；
[0010](2)分別在所述的加速度計的輸入加速度為Og和-Og時，取若干組兩個所述的補償電容的取值組合，採集所述的加速度計在若干組補償電容的取值組合下的一組輸出；
[0011]根據所述的ASIC電路的傳遞函數以及所獲得的所述的加速度計的兩組輸出得到兩個所述的加速度計分別在輸入加速度為Og和-Og時的輸出電容差，並對兩個在輸入加速度為Og和-Og時的輸出電容差求平均值而得到所述的加速度計的輸出電容差；
[0012]令所述的ASIC電路的傳遞函數中加速度計的輸出為O並根據和所述的加速度計的輸出電容差求得兩個所述的補償電容的電容值的關係，再分別令一個所述的補償電容的電容值為O時求解另一個所述的補償電容的電容值，從而完成所述的補償電容的標定。
[0013]所述的步驟(I)中，所述的可變電容的一組電容值在所述的可變電容的變化範圍內，以一固定間隔取值而獲得。
[0014]所述的步驟(I)中，所述的加速度計的輸入加速度分別為Ig和-1g即使待標定的所述的加速度計的輸入軸方向向量與Ig或-1g重力場方向向量平行且同向；所述的步驟
(2)中，所述的加速度計的輸入加速度分別為Og和-Og即使待標定的所述的加速度計的輸入軸方向向量與Og或-Og重力場方向向量平行且同向。
[0015]所述的步驟(I)中，根據所獲得的所述的加速度計的兩組輸出得到所述的加速度計在一組所述的電容值下的一組標度因數時，所述的標度因數與所述的加速度計的輸出之
Vont — Vont
間的關係滿足其中，SF為所述的標度因數，Voutlg為所述的加速度
2
計在輸入加速度為Ig時的輸出，Vout_lg為所述的加速度計在輸入加速度為-1g時的輸出。
[0016]所述的步驟(I)中，所述的標度因數和所述的電容值所滿足的二階模型為
SF - at) +a, -J- + Cx1 , , SF為所述的標度因數，α α α為所述的係數,CF為所
Cr Cr'
述的電容值。
[0017]所述的步驟(I)中，採用最小二乘法擬合獲得所述的二階模型中的係數。
[0018]所述的步驟(I)中，將所期望的標度因數帶入所述的標度因數和所述的電容值之間的曲線關係式中求解時，得到兩個所述的可變電容的電容值的根，則落入所述的可變電容的變化範圍內的根為所述的可變電容的電容值的有效根。
[0019]所述的步驟(2)中，所述的ASIC電路的傳遞函數為:
[0020]Voul = β, + β、(CSl — +亡，2 — (5/Λ,,!)，其中，Vout 為所述的 ASIC 電路的輸
Lr
出，P1為所述的加速度計的已知相關參數，CF為所述的步驟(I)中求解得到的所述的可變電容的電容值的有效根，CSIN2-CSiN1為由所述的加速度計的敏感結構決定的輸出電容差，CSyCS1為兩個所述的補償電容的取值。
[0021]實現上述方法的硬體系統包括寫入控制程序的上位機、與所述的加速度計相連接並在所述的上位機的控制下向所述的加速度計中設置參數和採集所述的加速度計的輸出的數據採集卡、與所述的上位機相連接並在所述的上位機的控制下使所述的加速度計處於不同的重力場中的程控分度臺。
[0022]所述的硬體系統實現所述的方法的流程為:啟動所述的硬體系統並進行自檢，自檢成功後依次對待標定的所述的加速度計在輸入加速度為Ig和-1g時採集其輸出，根據所採集到的輸出以及期望的標度因數計算所述的加速度計中可變電容的電容值的有效根；在獲得所述的加速度計中可變電容的電容值的有效根後，依次對待標定的所述的加速度計在輸入加速度為Og和-Og時採集其輸出，根據所採集到的輸出計算兩個所述的補償電容的電容值；若兩個所述的補償電容的電容值合法，則將兩個所述的補償電容的電容值以及所述的可變電容的電容值的有效根寫入加速度計中的參數控制存儲器中。
[0023]由於上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點:本發明提供了一種量程可調式MEMS加速度計的自動標定方案,利用加速度計內部ASIC電路的可調電容，使得實際參數(如標度因子、零位偏置等)與目標參數之間偏離降至最低，解決了人工標定效率低、精度差的問題，該方法尤其適合商業化的批量生產，其標定速度快、精度高、可操作性強，誤差小，可以推廣至絕大多數採用通用電容讀取晶片的加速度計的參數標定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]附圖1為量程可調式MEMS加速度計的結構示意圖。
[0025]附圖2為實現本發明的參數標定方法的硬體系統的結構圖。
[0026]附圖3為實現本發明的參數標定方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖所示的實施例對本發明作進一步描述。
[0028]實施例一:電容式MEMS (Micro Electro Mechanical System,微機電系統)加速度計通常由兩部分組成:敏感結構與ASIC (Application Specific IC)電路。敏感結構檢測輸入的加速度並轉換為電容差輸出，ASIC電路通常為微小電容讀取電路，其將敏感結構輸出的電容值轉化為電壓信號輸出。由於敏感結構加工過程中存在熱應力，從而造成個體間結構存在一定的差異，在未經外部ASIC電路補償前其零位輸出和標度因數等均與用戶需求有所偏差，加速度計的標定正是通過ASIC電路對敏感結構輸出進行補償與設置，以滿足特定的量程和測量精度，因此加速度計參數標定是其生產過程中非常重要的環節。加速度計內部敏感結構通常採用差分式輸出，其與ASIC電路的連接電路通常採用如附圖1所示的方式。其中，敏感結構中包含兩個容值可變的輸入電容CSlIN和CS2IN，而ASIC電路中則包含運算放大器、低通濾波器，運算放大器前端連接有兩個補償電容CSl和CS2，並且ASIC電路中還包含控制其參數的參數控制EEPR0M。
[0029]一種對上述量程可調式MEMS加速度計的標度因數以及補償電容進行參數標定的方法，簡單地說，其利用加速度計敏感結構的電容變化與輸入加速度間的線性關係，分別在加速度為-0g、0g、-1g和Ig的四個狀態時採集數據，並擬合出補償電容與相關參數的二階曲線關係，從而預測期望參數所對應的一系列外部電容值，達到參數標定的目的。
[0030]標定過程的實施步驟如下:
[0031](I)標度因數的標定
[0032]①分別在加速度計的輸入加速度為Ig和-1g時，採集加速度計在ASIC電路的一組特定增益下的一組輸出，特定增益由一可變電容控制，即採集加速度計在可變電容的一組電容值下的一組輸出。
[0033]具體地說，首先使待標定的加速度計的輸入軸方向向量與Ig重力場方向向量平行且同向，更改ASIC電路的CV (capacitance to voltage)增益,採集一組特定增益下的加計輸出。
[0034]CV增益通常由一個可變電容控制，記為CF，在CF的變化範圍內以固定間隔取一組(η個)CF值，得到如下矩陣:
[0035]CF= [CF0 CF1...CFn]
[0036]在CF取不同值時得到對應的一組加速度計輸出Voutlg:
[0037]Voutlg= [V0 V1...Vn][0038]然後使待標定加速度計輸入軸方向向量與-1g重力場方向向量平行且同向，重複上述在CF取不同值時得到對應的加速度計輸出的動作，得到第二組加速度計輸出Vout_lg:
[0039]Voutlg= [Vtl V1...VJ
[0040]②根據所獲得的加速度計的兩組輸出得到加速度計在一組電容值下的一組標度因數，且得到由標度因數和電容值對應構成的一組數據對。
[0041]具體的，標度因數與加速度計的輸出之間的關係滿足:
[0043]其中，SF為標度因數，Voutlg為加速度計在輸入加速度為Ig時的輸出，Voutlg為加速度計在輸入加速度為-1g時的輸出。
[0044]因此，得到不同CV增益下的對應的標度因數SF (Scale Factor):
[0045]SF= [SF0 SF1...SFn]
[0046]這樣就得到了一組有序數據對:
[0047]D=KSFiJFi) |i e (0，η)}
[0048]③根據上述一組數據對以及標度因數和電容值所滿足的二階模型進行擬合，獲得二階模型中的係數，從而確定標度因數和電容值之間的曲線關係式。
[0049]具體的，通常CF與SF的關係滿足如下一階線性模型:
I
[0050].SF-α,,+α,—
Lr
[0051]考慮到測量誤差、器件非線性及其它因素，在此引入一個二階項，以提高模型與實際測試的匹配度，提高預測精度，因此模型如下:
[0052]SF = α1:ι +α,-?- + a2-^t( I )
CF CF
[0053]其中，α。、α ρ α 2為係數。
[0054]根據數據對D，以上述二階多項式為模型，利用最小二乘法進行數據擬合，求得三個未知係數α(ι、αι、α2。這樣就確定了標度因數SF與可變電容CF間的曲線關係。
[0055]④假設所期望的標度因數並將其帶入標度因數和電容值之間的曲線關係式中，求解得到可變電容的電容值的有效根，據此可變電容的電容值的有效根而完成標度因數的標定。
[0056]具體的，假設期望的標度因數為SFideal，將該值帶入(I)式中，求解二元一次方程，得到兩個根CF1和CF2，則落入可變電容CF的變化範圍的根為有效根。若兩根均超出變化範圍，則期望的標度因數過高或者過低，這是由器件所決定的，無法進一步進行標定。至此標度因數標定完畢。
[0057](2)補償電容的標定
[0058]①分別在加速度計的輸入加速度為Og和-Og時，取若干組兩個補償電容的取值組合，採集加速度計在若干組補償電容的取值組合下的一組輸出。
[0059]具體的，使待標定加速度計輸入軸方向向量與Og重力場方向向量平行且同向，取補償電容CS1和CS2為如下組合關係:
[0060]Cs^~fo E E E3......1o ?ο ?ο......CS^~? ? ? ?............~2......[0061]其中C1、C2等為固定值。每次取一列固定組合，測量此時加速度計的一組輸出，得到
【權利要求】
1.一種量程可調式MEMS加速度計的參數標定方法，用於對由敏感結構和包括兩個補償電容的ASIC電路組成的MEMS加速度計進行標度因數以及補償電容的標定，其特徵在於:其包括 (1)分別在所述的加速度計的輸入加速度為Ig和-1g時，採集所述的加速度計在所述的ASIC電路的一組特定增益下的一組輸出，所述的特定增益由一可變電容控制，即採集所述的加速度計在所述的可變電容的一組電容值下的一組輸出； 根據所獲得的所述的加速度計的兩組輸出得到所述的加速度計在一組所述的電容值下的一組標度因數，且得到由所述的標度因數和所述的電容值對應構成的一組數據對； 根據一組所述的數據對以及所述的標度因數和所述的電容值所滿足的二階模型進行擬合，獲得所述的二階模型中的係數，從而確定所述的標度因數和所述的電容值之間的曲線關係式； 假設所期望的標度因數並將其帶入所述的標度因數和所述的電容值之間的曲線關係式中，求解得到所述的可變電容的電容值的有效根，據此可變電容的電容值的有效根而完成所述的標度因數的標定； (2)分別在所述的加速度計的輸入加速度為Og和-Og時，取若干組兩個所述的補償電容的取值組合，採集所述的加速度計在若干組補償電容的取值組合下的一組輸出； 根據所述的ASIC電路的傳遞函數以及所獲得的所述的加速度計的兩組輸出得到兩個所述的加速度計分別在輸入加速度為Og和-Og時的輸出電容差，並對兩個在輸入加速度為Og和-Og時的輸出電容差求平均值而得到所述的加速度計的輸出電容差； 令所述的ASIC電路的傳遞函 數中加速度計的輸出為O並根據和所述的加速度計的輸出電容差求得兩個所述的補償電容的電容值的關係，再分別令一個所述的補償電容的電容值為O時求解另一個所述的補償電容的電容值，從而完成所述的補償電容的標定。
2.根據權利要求1所述的量程可調式MEMS加速度計的參數標定方法，其特徵在於:所述的步驟(I)中，所述的可變電容的一組電容值在所述的可變電容的變化範圍內，以一固定間隔取值而獲得。
3.根據權利要求1所述的量程可調式MEMS加速度計的參數標定方法，其特徵在於:所述的步驟(I)中，所述的加速度計的輸入加速度分別為Ig和-1g即使待標定的所述的加速度計的輸入軸方向向量與Ig或-1g重力場方向向量平行且同向；所述的步驟(2)中，所述的加速度計的輸入加速度分別為Og和-Og即使待標定的所述的加速度計的輸入軸方向向量與Og或-Og重力場方向向量平行且同向。
4.根據權利要求1所述的量程可調式MEMS加速度計的參數標定方法，其特徵在於:所述的步驟(I)中，根據所獲得的所述的加速度計的兩組輸出得到所述的加速度計在一組所述的電容值下的一組標度因數時，所述的標度因數與所述的加速度計的輸出之間的關係滿
Vout1-Vout ,足:SF = ~^~i，其中，SF為所述的標度因數，Voutlg為所述的加速度計在輸入加速度為Ig時的輸出，Vout_lg為所述的加速度計在輸入加速度為-1g時的輸出。
5.根據權利要求1所述的量程可調式MEMS加速度計的參數標定方法，其特徵在於:所述的步驟(I)中，所述的標度因數和所述的電容值所滿足的二階模型為
6.根據權利要求1所述的量程可調式MEMS加速度計的參數標定方法，其特徵在於:所述的步驟(1)中，採用最小二乘法擬合獲得所述的二階模型中的係數。
7.根據權利要求1所述的量程可調式MEMS加速度計的參數標定方法，其特徵在於:所述的步驟(1)中，將所期望的標度因數帶入所述的標度因數和所述的電容值之間的曲線關係式中求解時，得到兩個所述的可變電容的電容值的根，則落入所述的可變電容的變化範圍內的根為所述的可變電容的電容值的有效根。
8.根據權利要求1所述的量程可調式MEMS加速度計的參數標定方法，其特徵在於:所述的步驟(2)中，所述的ASIC電路的傳遞函數為:
9.根據權利要求1所述的量程可調式MEMS加速度計的參數標定方法，其特徵在於:實現該方法的硬體系統包括寫入控制程序的上位機、與所述的加速度計相連接並在所述的上位機的控制下向所述的加速度計中設置參數和採集所述的加速度計的輸出的數據採集卡、與所述的上位機相連接並在所述的上位機的控制下使所述的加速度計處於不同的重力場中的程控分度臺。
10.根據權利要求9所述的量程可調式MEMS加速度計的參數標定方法，其特徵在於:所述的硬體系統實現所述的方法的流程為:啟動所述的硬體系統並進行自檢，自檢成功後依次對待標定的所述的加速度計在輸入加速度為Ig和-1g時採集其輸出，根據所採集到的輸出以及期望的標度因數計算所述的加速度計中可變電容的電容值的有效根；在獲得所述的加速度計中可變電容的電容值的有效根後，依次對待標定的所述的加速度計在輸入加速度為Og和-Og時採集其輸出，根據所採集到的輸出計算兩個所述的補償電容的電容值；若兩個所述的補償電容的電容值合法，則將兩個所述的補償電容的電容值以及所述的可變電容的電容值的有效根寫入加速度計中的參數控制存儲器中。
【文檔編號】G01P21/00GK103472262SQ201310404887
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月9日 優先權日:2013年9月9日
【發明者】王甫, 張斌, 高玉霞, 康保鵬, 凌波 申請人:中國兵器工業集團第二一四研究所蘇州研發中心