本发明公开了一种闭环微机械加速度计反馈方法。本发明采用闭环微机械加速度计反馈装置，产生反馈信号和参考信号，两种信号都被调制到载波上，反馈信号和参考信号同相相加后通过高通滤波器生成左反馈差分电极电压或右反馈差分电极电压，反馈信号和参考信号反相相加后通过高通滤波器生成右反馈差分电极电压或左反馈差分电极电压，左反馈差分电极电压和右反馈差分电极电压分别产生左反馈静电力和右反馈静电力，左反馈静电力和右反馈静电力之和用于抵消外界惯性力。本发明有效降低了由反馈电压引入的低频段噪声，同时可以调整闭环微机械加速度计的灵敏度，从而减小反馈静电合力引入的等效加速度噪声，提高了闭环微机械加速度计的性能。
1.一种闭环微机械加速度计反馈方法，其特征在于：它的步骤如下：
（1）采用闭环微机械加速度计反馈装置，它包括微机械加速度计器件、反馈电路，反馈电路前端产生反馈信号和参考信号，反馈信号和参考信号都已经被调制到角频率为ωc的载波上，即反馈信号Vfb为 Vfb0cos(ωct+φ)，参考信号Vref为 Vref0cos(ωct+θ)，其中，φ为反馈信号载波相位参数，θ为参考信号载波相位参数，Vfb0为反馈信号被调制部分，Vref0为参考信号被调制部分，t为参考信号和反馈信号的时间，ωc为载波的角频率，ωc大于电路的1/f噪声的转折频率和微机械加速度计器件的固有谐振频率，反馈电路后端中，反馈信号和参考信号同相相加后通过高通滤波器滤除低频噪声最终生成左反馈差分电极电压V1或右反馈差分电极电压V2，反馈信号和参考信号反相相加后通过高通滤波器滤除低频噪声最终形成右反馈差分电极电压V2或左反馈差分电极电压V1；
（2）左反馈差分电极电压V1和右反馈差分电极电压V2分别加载到微机械加速度计器件的左反馈差分电极和右反馈差分电极上，分别产生左反馈静电力和右反馈静电力，左反馈静电力和右反馈静电力之和Ft为：Ft=∆CVref0Vfb0[cos(θ-φ)+cos(2ωct+θ+φ)]，其中∆C为微机械加速度计器件的电容变化量，∆CVref0Vfb0cos(2ωct+θ+φ)为ωc二次频部分被微机械加速度计器件滤除，∆CVref0Vfb0 cos(θ-φ)为反馈静电合力用于抵消外界惯性力，反馈静电合力所携带的噪声为反馈电路的ωc频率附近的噪声，而电路的低频噪声通过高通滤波器被滤除；
（3）通过改变参考信号载波相位参数和反馈信号载波相位参数，使反馈增益减小，进而增大闭环微机械加速度计的灵敏度，可以降低反馈静电合力引入的等效加速度噪声。
2.如权利要求1所述的一种闭环微机械加速度计反馈方法，其特征在于：所述的反馈电路为：由可编程逻辑电路实现，从而在数字逻辑电路中完成反馈信号和参考信号的产生、调制以及同相、反相合成，然后通过数模转换电路和高通滤波电路将左反馈差分电极电压和右反馈差分电极电压分别输出后再分别加载到微机械加速度计的左反馈差分电极和右反馈差分电极上；
或者在数字逻辑电路中完成反馈信号和参考信号的产生、调制，然后通过数模转换电路将参考信号和反馈信号分别输出，再在模拟电路完成两路信号的同相、反相合成以及高通滤波，最后分别加载到微机械加速度计的左反馈差分电极和右反馈差分电极上。
3.如权利要求1所述的一种闭环微机械加速度计反馈方法，其特征在于：所述的微机械加速度计器件具备左反馈差分电极和右反馈差分电极，而调制在载波上的左反馈差分电极电压V1和右反馈差分电极电压V2分别加载到微机械加速度计器件的左反馈差分电极和右反馈差分电极上。
4.如权利要求1所述的一种闭环微机械加速度计反馈方法，其特征在于：所述的闭环微机械加速度计反馈装置包括微机械加速度计器件、反馈电路；微机械加速度计器件包括可动质量块（1）、左反馈差分电极（2）、可动质量块的栅电极（3）、右反馈差分电极（4）、左检测差分电极（5）、右检测差分电极（6）、右检测电极外部接口（7）、左检测电极外部接口（8）和可动质量块外部接口（9）；可动质量块（1）上设有可动质量块的栅电极（3），可动质量块的栅电极（3）下方对应设有间隔放置的多个左反馈差分电极（2）和多个右反馈差分电极（4） ，以及对应设有间隔放置的多个左检测差分电极（5）、多个右检测差分电极（6），多个左检测差分电极（5）与左检测电极外部接口（8）相连，多个右检测差分电极（6）与右检测电极外部接口（7）相连，多个左反馈差分电极（2）加载有左反馈差分电极电压V1，多个右反馈差分电极（4）加载有右反馈差分电极电压V2；反馈电路前端包括一个现场可编程门阵列芯片和两路数模转换器，现场可编程门阵列芯片产生两路数字信号经过两路数模转换器输出，其中第一数模转换器用于产生反馈信号Vfb，第二数模转换器用于产生参考信号Vref；反馈电路后端包括运算放大器U1和运算放大器U2，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9，电容C1与电容C2；运算放大器U1输出端与电阻R1一端、电容C1一端相连，电容C1另一端通过电阻R9接地，电容C1另一端接左反馈差分电极电压V1 ，运算放大器U1负向输入端与电阻R1另一端、电阻R2一端、电阻R3一端相连，运算放大器U1正向输入端接地，电阻R2另一端与电阻R6一端相连，电阻R3另一端与电阻R5一端相连，电阻R5另一端与运算放大器U2正向输入端相连，电阻R5另一端通过电阻R4接地，电阻R6另一端与运算放大器U2负向输入端相连，电阻R6另一端与电阻R7一端相连，运算放大器U2输出端与电容C2一端、电阻R7另一端相连，电容C2另一端通过电阻R8接地，电容C2另一端接右反馈差分电极电压V2，参考信号Vref与电阻R3另一端、电阻R5一端相连，反馈信号Vfb与电阻R2另一端、电阻R6一端相连。
一种闭环微机械加速度计反馈方法
技术领域
[0001] 本发明涉及微机械系统中的惯性器件领域，尤其涉及一种闭环微机械加速度计反馈方法。
背景技术
[0002] 微机械系统（MEMS）技术是利用微细加工工艺技术进行微纳米级别加工的先进制造技术。利用MEMS技术可以在硅片和其他材料的物体上加工出具有特定形状的微结构，从而获得不同的用途。MEMS技术的特点在于可以成批的制造出微小尺寸的器件，通常在毫米级别以下，并具有较好的一致性。批量生产可以大大减小成本，尺寸小使得其重量轻，占用体积小。当MEMS制造出的器件与外围器件和设备形成微机械系统的时候，又具有耗能低，耐用性好等诸多特点。
[0003] 在惯性导航领域，传统的惯性器件包括加速度计和陀螺仪，这些器件普遍体积、成本、价格很高，不利于大规模生产制造与使用。利用MEMS技术，可以弥补这些缺陷。目前国际上利用MEMS技术制造的加速度计和陀螺仪已经进入商用阶段，并取得了巨大的市场份额和销售前景，在手持与可携带电子设备上得到了广泛的应用。然而，商用MEMS加速度计的性能较为粗糙，而高性能的MEMS加速度计目前仍然十分欠缺，包括先进科学研究与探测、军事武器装备、航空航天等多个领域对该类型的加速度计均具有强烈和广泛的需求。
[0004] 目前在国际科研界，闭环式加速度计是最受欢迎的一类加速度计。这类加速度计通常具备较大的环路增益，能提拱很好的噪声抑制能力和动态特性。但是，现有报道的闭环加速度计,一种方法是将低频段的模拟反馈信号和直流处的模拟参考信号直接进行相加减，分别获得模拟反馈信号与模拟参考信号相加得到的和电压，以及模拟反馈信号与模拟参考信号相减得到的差电压。和电压与差电压分别加载到微机械加速度计左差分电极和右差分电极上，从而实现反馈，这种方式引入了较大的低频噪声。而另一种微机械加速度计的反馈方式，则是进行脉冲密度调制（PDM）式的反馈。这种方法利用数字反馈信号控制输出的脉冲式反馈电压的单位时间密度，脉冲式反馈电压直接加载到单边差分电极上，即只加载左差分电极或者只加载右差分电极，从而实现对微机械加速度计的反馈控制。该方法实现手段复杂，对系统采样率依赖较高，不能改变反馈增益，并且通常也会引入直流附近的噪声。
[0005] 基于这些限制，我们提出了一种闭环微机械加速度计反馈方法，可以在获得较大的闭环灵敏度的同时使得闭环输出噪声较小。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对目前闭环电容式MEMS加速度计存在的一些问题，提供一种闭环微机械加速度计反馈方法。
[0007] 闭环微机械加速度计反馈方法的步骤如下：
[0008] （1）采用闭环微机械加速度计反馈装置，它包括微机械加速度计器件、反馈电路，反馈电路前端产生反馈信号和参考信号，反馈信号和参考信号都已经被调制到角频率为ωc的载波上，即反馈信号Vfb为 参考信号Vref为Vref0cos(ωct+θ)，其中，为反馈信号载波相位参数，θ为参考信号载波相位参数，Vfb0为反馈信号被调制部分，Vref0为参考信号被调制部分，t为参考信号和反馈信号的时间，ωc为载波的角频率，ωc大于电路的1/f噪声的转折频率和微机械加速度计器件的固有谐振频率，反馈电路后端中，反馈信号和参考信号同相相加后通过高通滤波器滤除低频噪声最终生成左反馈差分电极电压V1或右反馈差分电极电压V2，反馈信号和参考信号反相相加后通过高通滤波器滤除低频噪声最终形成右反馈差分电极电压V2或左反馈差分电极电压V1；
[0009] （2）左反馈差分电极电压V1和右反馈差分电极电压V2分别加载到微机械加速度计器件的左反馈差分电极和右反馈差分电极上，分别产生左反馈静电力和右反馈静电力，左反馈静电力和右反馈静电力之和Ft为：
[0010] 其中ΔC为微机械加速度计器件的电容变化量， 为ωc二次频部分被微机械加速度计器件滤除，
为反馈静电合力用于抵消外界惯性力，反馈静电合力所携带的噪声为
反馈电路的ωc频率附近的噪声，而电路的低频噪声在上述处理过程中被滤除；
[0011] （3）通过改变参考信号载波相位参数θ和反馈信号载波相位参数 使反馈增益减小，进而增大闭环微机械加速度计的灵敏度，可以降低反馈静电合力引入的等效加速度噪声。
[0012] 所述的反馈电路为：由可编程逻辑电路实现，从而在数字逻辑电路中完成反馈信号和参考信号的产生、调制以及同相、反相合成，然后通过数模转换电路和高通滤波电路将左反馈差分电极电压和右反馈差分电极电压分别输出后再分别加载到微机械加速度计的左反馈差分电极和右反馈差分电极上；
[0013] 或者在数字逻辑电路中完成反馈信号和参考信号的产生、调制，然后通过数模转换电路将参考信号和反馈信号分别输出，再在模拟电路完成两路信号的同相、反相合成以及高通滤波，最后分别加载到微机械加速度计的左反馈差分电极和右反馈差分电极上。
[0014] 所述的微机械加速度计器件具备左反馈差分电极和右反馈差分电极，而调制在载波上的左反馈差分电极电压V1和右反馈差分电极电压V2分别加载到微机械加速度计器件的左反馈差分电极和右反馈差分电极上。
[0015] 所述的闭环微机械加速度计反馈装置包括微机械加速度计器件、反馈电路；微机械加速度计器件包括可动质量块、左反馈差分电极、左反馈差分电极电压V1、可动质量块的栅电极、右反馈差分电极电压V2、右反馈差分电极、左检测差分电极、右检测差分电极、右检测电极外部接口、左检测电极外部接口和可动质量块外部接口；可动质量块上设有可动质量块的栅电极，可动质量块的栅电极下方对应设有间隔放置的多个左反馈差分电极和多个右反馈差分电极，以及对应设有间隔放置的多个左检测差分电极、多个右检测差分电极，多个左检测差分电极与左检测电极外部接口相连，多个右检测差分电极与右检测电极外部接口相连，多个左反馈差分电极加载有左反馈差分电极电压V1，多个右反馈差分电极加载有右反馈差分电极电压V2；反馈电路前端包括一个现场可编程门阵列芯片和两路数模转换器，现场可编程门阵列芯片产生两路数字信号经过两路数模转换器输出，其中第一数模转换器用于产生反馈信号Vfb，第二数模转换器用于产生参考信号Vref；反馈电路后端包括运算放大器U1和运算放大器U2，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9，电容C1与电容C2；运算放大器U1输出端与电阻R1一端、电容C1一端相连，电容C1另一端通过电阻R9接地，电容C1另一端接左反馈差分电极电压V1，运算放大器U1负向输入端与电阻R1另一端、电阻R2一端、电阻R3一端相连，运算放大器U1正向输入端接地，电阻R2另一端与电阻R6一端相连，电阻R3另一端与电阻R5一端相连，电阻R5另一端与运算放大器U2正向输入端相连，电阻R5另一端通过电阻R4接地，电阻R6另一端与运算放大器U2负向输入端相连，电阻R6另一端与电阻R7一端相连，运算放大器U2输出端与电容C2一端、电阻R7另一端相连，电容C2另一端通过电阻R8接地，电容C2另一端接右反馈差分电极电压V2，参考信号Vref与电阻R3另一端、电阻R5一端相连，反馈信号Vfb与电阻R2另一端、电阻R6一端相连。
[0016] 本发明与现有技术相比具有的有益效果：
[0017] 1)通过将参考信号和反馈信号都搬移到中高频，极大降低了反馈静电合力的低频噪声，尤其是1/f噪声；
[0018] 2)可利用参考信号载波相位参数θ和反馈信号相位载波参数 来调整反馈增益。这两个参数可通过模拟或数字方式实现人为调整，尤其是数字方式可以实现实时调整参数，从而能极大方便对反馈增益的控制；
[0019] 3)在降低反馈静电合力本身噪声的同时，可以通过减小反馈增益来增大灵敏度，从而降低反馈静电合力引入的等效加速度噪声。
附图说明
[0020] 图1是微机械加速度计器件的剖面结构示意图；
[0021] 图2是反馈电路中现场可编程门阵列芯片和数模转换器分别产生参考信号和反馈信号的示意图；
[0022] 图3是反馈电路中实现参考信号和反馈信号同相、反相合成的电路部分示意图。
具体实施方式
[0023] 闭环微机械加速度计反馈方法的步骤如下：
[0024] （1）采用闭环微机械加速度计反馈装置，它包括微机械加速度计器件、反馈电路，反馈电路前端产生反馈信号和参考信号，反馈信号和参考信号都已经被调制到角频率为ωc的载波上，即反馈信号Vfb为 参考信号Vref为Vref0cos(ωct+θ)，其中，为反馈信号载波相位参数，θ为参考信号载波相位参数，Vfb0为反馈信号被调制部分，Vref0为参考信号被调制部分，t为参考信号和反馈信号的时间，ωc为载波的角频率，ωc大于电路的1/f噪声的转折频率和微机械加速度计器件的固有谐振频率，反馈电路后端中，反馈信号和参考信号同相相加后通过高通滤波器滤除低频噪声最终生成左反馈差分电极电压V1或右反馈差分电极电压V2，反馈信号和参考信号反相相加后通过高通滤波器滤除低频噪声最终形成右反馈差分电极电压V2或左反馈差分电极电压V1；
[0025] （2）左反馈差分电极电压V1和右反馈差分电极电压V2分别加载到微机械加速度计器件的左反馈差分电极和右反馈差分电极上，分别产生左反馈静电力和右反馈静电力，左反馈静电力和右反馈静电力之和Ft为：
[0026] 其中ΔC为微机械加速度计器件的电容变化量， 为ωc二次频部分被微机械加速度计器件滤除，
为反馈静电合力用于抵消外界惯性力，反馈静电合力所携带的噪声为
反馈电路的ωc频率附近的噪声，而电路的低频噪声在上述处理过程中被滤除；
[0027] （3）通过改变参考信号载波相位参数θ和反馈信号载波相位参数 使反馈增益减小，进而增大闭环微机械加速度计的灵敏度，可以降低反馈静电合力引入的等效加速度噪声。
[0028] 所述的反馈电路为：由可编程逻辑电路实现，从而在数字逻辑电路中完成反馈信号和参考信号的产生、调制以及同相、反相合成，然后通过数模转换电路和高通滤波电路将左反馈差分电极电压和右反馈差分电极电压分别输出后再分别加载到微机械加速度计的左反馈差分电极和右反馈差分电极上；
[0029] 或者在数字逻辑电路中完成反馈信号和参考信号的产生、调制，然后通过数模转换电路将参考信号和反馈信号分别输出，再在模拟电路完成两路信号的同相、反相合成以及高通滤波，最后分别加载到微机械加速度计的左反馈差分电极和右反馈差分电极上。
[0030] 所述的微机械加速度计器件具备左反馈差分电极和右反馈差分电极，而调制在载波上的左反馈差分电极电压V1和右反馈差分电极电压V2分别加载到微机械加速度计器件的左反馈差分电极和右反馈差分电极上。
[0031] 本发明中，左反馈差分电极的静电力与右反馈差分电极的静电力分别表示为：
[0032]
[0033]
[0034] 其中，ΔC为微机械加速度计器件的电容变化量，左反馈差分电极的电容变化量和右反馈差分电极的电容变化量相同。
[0035] 反馈静电合力表示为：
[0036]
[0037] 设载波频率为ωc，则参考信号和反馈信号可以分别表示为：
[0038] Vref＝Vref0cos(ωct+θ) (1.4)
[0039]
[0040] 其中，Vfb0是与外界输入加速度相同频率信号，Vref0是参考信号幅度，频率为直流。θ是参考信号载波相位参数， 是反馈信号载波相位参数。
[0041] 将公式（1.4）与（1.5）带入到公式(1.3)之中，可以得到：
[0042]
[0043] 公式(1.6)中的 被微机械加速度计器件滤掉，因而公式（1.6）简化为：
[0044]
[0045] 反馈电路的反馈增益表示为：
[0046]
[0047] 如图1-3所示，所述的闭环微机械加速度计反馈装置包括微机械加速度计器件、反馈电路；微机械加速度计器件包括可动质量块1、左反馈差分电极2、左反馈差分电极电压V1、可动质量块的栅电极3、右反馈差分电极电压V2、右反馈差分电极4、左检测差分电极5、右检测差分电极6、右检测电极外部接口7、左检测电极外部接口8和可动质量块外部接口9；可动质量块1上设有可动质量块的栅电极3，可动质量块的栅电极3下方对应设有间隔放置的多个左反馈差分电极2和多个右反馈差分电极4，以及对应设有间隔放置的多个左检测差分电极5、多个右检测差分电极6，多个左检测差分电极5与左检测电极外部接口
8相连，多个右检测差分电极6与右检测电极外部接口7相连，多个左反馈差分电极2加载有左反馈差分电极电压V1，多个右反馈差分电极4加载有右反馈差分电极电压V2；反馈电路前端包括一个现场可编程门阵列芯片和两路数模转换器，现场可编程门阵列芯片产生两路数字信号经过两路数模转换器输出，其中第一数模转换器用于产生反馈信号Vfb，第二数模转换器用于产生参考信号Vref；反馈电路后端包括运算放大器U1和运算放大器U2，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9，电容C1与电容C2；运算放大器U1输出端与电阻R1一端、电容C1一端相连，电容C1另一端通过电阻R9接地，电容C1另一端接左反馈差分电极电压V1，运算放大器U1负向输入端与电阻R1另一端、电阻R2一端、电阻R3一端相连，运算放大器U1正向输入端接地，电阻R2另一端与电阻R6一端相连，电阻R3另一端与电阻R5一端相连，电阻R5另一端与运算放大器U2正向输入端相连，电阻R5另一端通过电阻R4接地，电阻R6另一端与运算放大器U2负向输入端相连，电阻R6另一端与电阻R7一端相连，运算放大器U2输出端与电容C2一端、电阻R7另一端相连，电容C2另一端通过电阻R8接地，电容C2另一端接右反馈差分电极电压V2，参考信号Vref与电阻R3另一端、电阻R5一端相连，反馈信号Vfb与电阻R2另一端、电阻R6一端相连。
[0048] 实施例：
[0049] 设定微机械加速度计装置有20个左反馈差分电极和20个右反馈差分电极，左反馈差分电极与右反馈差分电极的电容变化量ΔC均为0.25μF/m。
[0050] 设定载波频率ωc为628318rad/s，参考信号的幅度Vref0为1V，参考信号载波相位θ为0°，反馈信号Vfb0为0.5V的直流信号，反馈信号载波相位 为60°，因此得到：
[0051] Vref＝cos(628318·t) (1.9)
[0052] Vfb＝0.5cos(628318·t+1.0472) (1.10)
[0053] 反馈电路的电阻R1为6KΩ，电阻R2为1KΩ，电阻R3为3KΩ，电阻R4为1KΩ，电阻R5为2.5KΩ，电阻R6为1KΩ，电阻R7为6KΩ，电阻R8为2KΩ，电阻R9为2KΩ，电容C1为0.01μF，电容C2为0.01μF。左反馈差分电极电压V1与右反馈差分电极电压V2分别为：
[0054] V1＝-2cos(628318·t)-3cos(628318·t+1.0472) (1.11)
[0055] V1＝2cos(628318·t)-3cos(628318·t+1.0472) (1.12)
[0056] 反馈静电合力为Ft＝1.5×10-6N，对应的反馈增益为Kfb＝3×10-6(N/V)。
[0057] 综上所述，本发明提供了一种闭环微机械加速度计反馈方法，使得参考信号和反馈信号被调制到载波上，从而两种信号频率均远离低频段，进而极大减小了闭环微机械加速度计的反馈静电合力噪声，尤其是1/f噪声。另外，该方法能调整反馈电路的反馈增益，提高灵敏度，从而能够进一步降低反馈静电合力引入的等效加速度噪声，提高闭环微机械加速度计的性能。
