一种基于MEMS技术的数字输出型加速度计及其制造方法与流程

一种基于mems技术的数字输出型加速度计及其制造方法
技术领域
1.本发明属于电子机械测量技术领域，涉及一种基于mems技术的数字输出型加速度计及其制造方法。


背景技术：

2.加速度计作为惯性导航系统、振动检测和重力场测量的核心器件，在工业自动控制领域有着十分重要的地位。目前，惯性测量系统中主流的工程应用加速度计为石英挠性摆式加速度计，该类加速度计主要由石英表头和伺服控制电路两部分组成。石英表头根据牛顿定律进行加速度信号检测，提供带有加速度信息的差动电容信号，伺服控制电路进行差动电容信号采集与放大处理，输出与加速度成正比的模拟电流信号。惯性测量系统采集到来自加速度计的电流信号后，需通过模数转换模块将其检测到的电流信号转换为数字信号以供后级计算机处理。该方案使得惯性测量系统体积增加、输出精度降低，并在一定程度上增加了噪声干扰。
3.随着微电子技术与微纳加工工艺的发展与进步，微机电(mems)技术被引入惯性测量领域，使得加速度传感器与信号处理电路一体化集成技术得以实现，各类基于mems技术的微型加速度计开始投入工程应用。现有的mems加速度计受限于加工工艺，其检测精度相对较低，目前仅能应用于消费电子和汽车工业领域。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中加速度计的检测精度不高，容易受到内部环境温度影响的问题，提供一种基于mems技术的数字输出型加速度计及其制造方法。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种基于mems技术的数字输出型加速度计，包括加速度敏感单元、差动电容检测单元、温度补偿单元、模数转换单元和微处理器单元；所述加速度敏感单元采集加速度信号，将采集到的加速度信号转换为差动电容信号，并传递至差动电容检测单元，差动电容检测单元将差动电容信号转换为电压信号，并传递至模数转换单元，模数转换单元将电压信号转换为加速度数字信号，并将加速度数字信号输入至微处理器单元；所述温度补偿单元采集温度数据，并将温度数据转换为温度数字信号输入至微处理器单元；所述微处理器单元对加速度数字信号和温度数字信号进行非线性拟合处理，输出数字信号。
7.本发明的进一步改进在于：
8.所述模数转换单元将差动电容检测单元的电压信号转换为加速度数字信号后，还经过数字滤波器对加速度数字信号进行滤波降噪处理，将处理后的加速度数字信号输入至微处理器单元。
9.所述差动电容检测单元为全差分开关电容式差动电容检测器，包括运放u1、u2，开关s1～s6，电容c1～c4；正向时钟信号通过开关s1和电容c1连接至运放u1的反相端，开关s1和电容c1之间通过开关s3接地，反向时钟信号通过开关s2和电容c2连接至运放u1的反相
端，开关s2和电容c2之间通过开关s4接地，运放u1的输出端分别通过电容c4和开关s5连接至运放u1的反相端，运放u1的同相端接地，运放u1的输出端通过开关s6连接至运放u2的同相端，运放u2的同相端通过电容c3接地，输出端连接至反相端。
10.所述加速度敏感单元为电容式mems加速度传感器。
11.所述温度补偿单元包括温度传感器和温度模数转换模块，所述温度传感器用于采集温度数据，并传输至温度模数转换模块，温度模数转换模块将温度数据转换为温度数字信号，并输入至微处理器单元。
12.所述模数转换单元为24位模数转换器，所述温度模数转换模块为24为温度模数转换器。
13.所述数字信号通过spi或i2c串口输出。
14.一种基于mems技术的数字输出型加速度计的制造方法，包括以下步骤：
15.将加速度敏感单元、差动电容检测单元、温度补偿单元、模数转换单元、数字滤波器和微处理器单元集成在硅基板上；
16.将硅基板采用绝缘胶粘接在金属封装体内；
17.采用激光封焊工艺对金属封装体进行密封；
18.在金属封装体外壳上留有引出端，引出端用于实现spi或i2c串口通信。
19.所述金属封装体的尺寸为15mm
×
15mm。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21.本发明中一种基于mems技术的数字输出型加速度计，一体化集成了加速度敏感单元、差动电容检测单元、温度补偿单元、模数转换单元和微处理器单元，微处理器单元能够对加速度数字信号和温度数字信号进行非线性拟合校准，对温度漂移和高阶非线性度进行校准补偿，能够实现高精度信号处理，提高加速度计的检测精度。并且由微处理器能够直接输出数字信号，应用于后级计算机，无需后续额外的电流-频率或模数转换处理。
22.进一步的，通过采用全差分开关电容式差动电容检测器作为差动电容检测单元，实现对传感器差动电容信号的检测，并将其转换为电压信号，能够有效降低寄生电容的影响，提高检测的精度和分辨率。
附图说明
23.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
24.图1为本发明的基于mems技术的数字输出型加速度计模块结构图；
25.图2为本发明中基于mems技术的数字输出型加速度计的结构图；
26.图3为本发明中电容式meme加速度传感器结构图；
27.图4为全差分开关电容式差动电容检测器原理图。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
29.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
31.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
33.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
35.参见图1，为本发明的基于mems技术的数字输出型加速度计模块结构图，包括加速度敏感单元、差动电容检测单元、温度补偿单元、模数转换单元、数字滤波器和微处理器单元；所述加速度敏感单元为电容式mems加速度传感器，加速度敏感单元采集加速度信号，将采集到的加速度信号转换为差动电容信号，并传递至差动电容检测单元，差动电容检测单元将差动电容信号转换为电压信号，并传递至模数转换单元，模数转换单元将电压信号转换为加速度数字信号，经过数字滤波器对加速度数字信号进行滤波除噪处理后，将加速度数字信号输入至微处理器单元；所述温度补偿单元采集温度数据，并将温度数据转换为温度数字信号输入至微处理器单元；所述微处理器单元对加速度数字信号和温度数字信号进行非线性拟合处理，输出数字信号，数字信号通过spi或i2c串口输出。微处理器单元输出的数字信号可以直接通过spi或i2c串口读取，应用于后级计算机，无需后续电流-频率或模数转换处理。
36.差动电容检测器噪声是闭环控制系统噪声的主要来源，通过降低电容检测器的噪声，可以有效避免加速度读取过程中噪声的引入。因此采用全差分开关电容式差动电容检测器实现传感器差动电容信号的检测，并将其转换为电压信号，有利于降低寄生电容的影响，提高检测的精度和分辨率。参见图4，为全差分开关电容式差动电容检测器原理图，主要由高速模拟开关、电荷放大电路和采样保持跟随器等部分组成，通过两路同频、反相的时钟
信号控制一对模拟开关组，对电容c1～c4进行循环充放电，将电容c1和c2的电容变化量转换为电压变化量。电路包括运放u1、u2，开关s1～s6，电容c1～c4；正向时钟信号通过开关s1和电容c1连接至运放u1的反相端，开关s1和电容c1之间通过开关s3接地，反向时钟信号通过开关s2和电容c2连接至运放u1的反相端，开关s2和电容c2之间通过开关s4接地，运放u1的输出端分别通过电容c4和开关s5连接至运放u1的反相端，运放u1的同相端接地，运放u1的输出端通过开关s6连接至运放u2的同相端，运放u2的同相端通过电容c3接地，输出端连接至反相端。
37.温度补偿单元包括温度传感器和温度模数转换模块，所述温度传感器用于采集温度数据，并传输至温度模数转换模块，温度模数转换模块将温度数据转换为温度数字信号，并输入至微处理器单元，所述温度模数转换模块为24位tadc模块，高精度温度传感器和24位tadc构成辅助温度测量通道，用于实现内部温度场信息采集，为后续温度补偿提供数据。
38.微处理器单元内置算法对模数转换单元输出的加速度数字信号以及温度数字信号进行非线性拟合计算，用于实现零点校准、温漂补偿和高阶非线性校准补偿，可以大幅度提升加速度计的输出精度，增加零偏稳定性。
39.参见图2，为本发明中基于mems技术的数字输出型加速度计的结构图，采用mems工艺在硅基板上实现电容式加速度传感器、温度传感器、差动电容检测器、高精度模数转换器和微处理器的一体化集成。采用绝缘胶将硅基板粘接在15mm
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15mm的金属封装体内，采用激光封焊工艺实现密封。加速度计的外壳留有引出端，用于实现i2c或spi通信。
40.参见图3，为本发明中电容式meme加速度传感器结构图，传感器采用梳齿式结构，实现位移量到差动电容信号的转换，当外界产生加速度时，mems电容式加速度传感器内部质量块受到挤压发生形变，梳齿之间产生变化的电容。
41.内部全差分开关电容式差动电容检测电路接收到差动电容信号并将其转换为电压信号。该电路主要由高速模拟开关、电荷放大电路、采样保持跟随器等部分组成，电路原理如图4所示。通过两路同频、反相的时钟信号控制一对模拟开关组，对电容c1～c4进行循环充放电，将c1、c2的电容变化量转换为电压变化量。
42.通过内置高精度adc模块将c/v转换后得到的电压信号转换为加速度数字信号。该信号经后置数字滤波器进行初步滤波，去除噪声。与此同时，通过内置温度传感器进行温度采集，采用高精度tadc进行温度信息的数字转换。基于微处理器内置非线性拟合校准算法对温度漂移和高阶非线性度进行校准补偿。上述过程获得的数字信号可以通过spi或i2c串口读取，供后级计算机使用。与传统模拟输出型石英挠性加速度计相比，本发明所设计的mems数字输出型加速度计具有更小的体积和更高的集成度，并且可以直接提供数字输出信号，具备更高的工程应用价值。
43.本发明中一种mems技术的数字输出型加速度计的制造方法，具体包括以下步骤：
44.s1，将加速度敏感单元、差动电容检测单元、温度补偿单元、模数转换单元、数字滤波器和微处理器单元集成在硅基板上；
45.s2，将硅基板采用绝缘胶粘接在金属封装体内，金属封装体的尺寸为15mm*15mm；
46.s3，采用激光封焊工艺对金属封装体进行密封；
47.s4，在金属封装体外壳上留有引出端，引出端用于实现spi或i2c串口通信。
48.本发明中一种基于mems技术的数字输出型加速度计，可以实现运动载体的低频线
加速度的检测与处理，不同于传统石英挠性加速度计，本发明所述加速度计体积小且具备数字输出接口，可直接输出数字信号供后级计算机使用，无需额外增加模数装换模块，极大程度缩小了惯性测量系统的体积，并且有效提升其检测精度。一体化集成了加速度敏感单元、差动电容检测单元、温度补偿单元、模数转换单元和微处理器单元，微处理器单元能够对加速度数字信号和温度数字信号进行非线性拟合校准，对温度漂移和高阶非线性度进行校准补偿，能够实现高精度信号处理，提高加速度计的检测精度。并且由微处理器能够直接输出数字信号，应用于后级计算机，无需后续额外的电流-频率或模数转换处理。与现有工程应用mems加速度计相比，具有更大的量程和更高的检测精度，可应用于惯性测量领域。
49.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。