电容式微机械加速度计动态性能改善系统和方法

摘要

本发明主要包括电容式微机械加速度计动态性能改善系统和方法，所述系统包括电容式微机械加速度计和检测电路，检测电路包括差分电容检测模块、电荷放大电路、差分放大模块、PI电路、数据采集器和数据处理装置；微机械加速度计、差分电容检测模块、电荷放大电路、差分放大模块、PI电路依次串联，构成闭环回路；数据处理装置通过数据采集器与PI电路相连；所述方法是通过比较电容式微机械加速度计的超调量和稳态响应时间分别与其设定值的关系，而相应地调整PI电路的元件参数，使电容式微机械加速度计系统的阻尼改变而调节电容式微机械加速度计系统的超调量和稳态响应时间并达到设定要求；本发明方法简单，容易实现，调试方便以及成本较低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容式微机械加速度计动态性能的改善方法，特别是涉及一种运用PI 电路的电容式微机械加速度计的动态性能的改善方法。

背景技术

电容式微机械加速度计是汽车安全气囊系统中的核心器件，主要由两个固定的极板和由 弹性梁支撑的可动中间质量块组成。当汽车的瞬时加速度超过某一限定值时，安全气囊自动 打开以保护驾驶员的安全。因此，需要电容式微机械加速度计对加速度的响应时间要小，以 保证安全气囊能及时打开起到保护作用；同时需要电容式微机械加速度计具有较低的超调 量，以避免在没有达到限定加速度附近时，安全气囊误开的情况。

由于超调量和稳态响应时间是衡量加速度计系统动态性能的重要指标，其中，超调量 由阻尼比ζ＝b/m(b是阻尼，m是中间质量块质量)唯一决定，系 统稳态响应时间t_s＝3/ζω_n由阻尼比ζ和固有频率(k是电容式微加速度计 的机械刚度)决定。

目前已有通过对电容式微机械加速度计的结构进行优化，增加机械刚度，改变极板间的 填充介质改变阻尼大小来减小超调量和稳态响应时间，来提高电容式微机械加速度计系统的 动态性能。

如徐淑静、杨拥军等人在《MEMS电容式加速度计的动态特性分析》(《微纳电子技 术》2011年05期)一文中提出通过改变电容式加速度计极板间的气体压强和电容极板间 隙来改善系统的动态特性，当气体压强较高时，系统的动态特性表现良好，并在电容极板间 隙约为3μm时，系统的动态特性达到最优。但这种方法存在对电容式微机械加速度计的加 工工艺要求较高，制作时间周期比较长，调试不方便，成本比较相对较高等不足，同时电容 式加速度计极板间的气体压强对气体压强的调节很难控制，对控制手段和条件的要求较高。

因此需要一种方法简单，容易实现，调试方便以及成本较低的改善电容式微机械加速度 计的动态性能的方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本文提出了一种方法简单，容易实现，调试方便以及成 本较低的改善电容式微机械加速度计的动态性能的系统和方法。

本发明所采用的技术方案是：一种电容式微机械加速度计动态性能改善系统，所述系统 包括电容式微机械加速度计和检测电路；

所述检测电路包括差分电容检测模块、电荷放大电路、差分放大模块、PI电路、数据采 集器和数据处理装置；

所述电容式微机械加速度计、所述差分电容检测模块、所述电荷放大电路、所述差分放 大模块以及所述PI电路依次串联连接并且所述PI电路与所述电容式微机械加速度计连接， 形成闭环回路；其中，所述PI电路输出反馈电压至所述电容式微机械加速度计以对其施加 静电力负反馈；

所述数据处理装置通过所述数据采集器与所述PI电路连接，并且所述数据处理装置分 析处理所述数据采集器采集的PI电路输出的反馈电压信号并输出分析处理结果，所述PI电 路根据所述分析处理结果而相应地调整其元件参数，以使电容式微机械加速度计系统的超调 量和稳态响应时间达到设定要求。

根据一种具体的实施方式，所述电容式微机械加速度计包括两个固定极板和一个中间极 板；其中，所述电容式微机械加速度计的一个固定极板的电压输入端与所述PI电路的输出 端连接，其另一个固定极板的电压输入端通过反相器与所述PI电路的输出端连接，以通过 两个固定极板的输入电压对中间极施加静电力负反馈。

根据一种具体的实施方式，所述PI电路包括运算放大器U1、电阻R8、电阻R9、电阻 R10和电容C6；

其中，运算放大器U3的反相输入端通过电阻R8与所述差分放大模块的输出端连接， 其同相输入端接地；电阻R9和电容C6串联后连接在运算放大器U3的反相输入端和其输出 端之间；电阻R10的两端分别连接运算放大器U3的反相输入端和输出端。

根据一种具体的实施方式，所述数据处理装置是单片机控制模块，并且所述电阻R8和 所述电阻R10为可编程电阻，所述单片机控制模块分别与可编程电阻R8、R10和所述数据 采集器连接，所述单片机控制模块根据所述数据采集器采集的所述PI电路输出的反馈电压 信号，相应地调整电阻R8和/或电阻R10的电阻值。

本发明还包括一种利用本发明系统的电容式微机械加速度计动态性能改善方法，该方法 包括以下步骤，

由差分电容检测模块检测电容式微机械加速度计的状态变化，并根据所述电容式微机械 加速度计的状态变化输出差分电容信号至电荷放大电路；

所述电荷放大电路根据所述差分电容信号而输出相应的电压信号至差分放大模块；

所述差分放大模块根据所述电压信号而输出相应的直流电压至PI电路；

所述PI电路根据所述直流电压而输出相应的反馈电压至所述电容式微机械加速度计， 以对所述电容式微机械加速度计施加静电力负反馈，并由数据采集器采集所述PI电路输出 的反馈电压信号；

由数据处理装置分析处理所述反馈电压信号而获取电容式微机械加速度计系统的超调量 和稳态响应时间的数据，将所述电容式微机械加速度计系统的超调量和稳态响应时间的数据 分别与其设定值比较而输出分析处理结果；

根据所述分析处理结果，相应地调整PI电路的元件参数，以使所述电容式微机械加速 度计系统的超调量和稳态响应时间达到设定要求。

根据一种具体的实施方式，所述电容式微机械加速度计的一个固定极板得到所述反馈电 压，其另一个固定极板得到与所述反馈电压大小相等极性相反的电压，以对所述电容式微机 械加速度计的中间极板施加静电力负反馈。

根据一种具体的实施方式，由单片机控制模块分析处理所述反馈电压信号，获取所述电 容式微机械加速度计系统的超调量和稳态响应时间的数据；

由单片机控制模块将得到的超调量和稳态响应时间的数据分别与存储在所述单片机控制 模块中超调量和稳态响应时间的设定值比较而获取分析处理结果；

由所述单片机控制模块根据所述分析处理结果，相应地调整所述PI电路的比例系数和/ 或积分系数，以使所述电容式微机械加速度计系统的超调量和稳态响应时间达到设定要求。

根据一种具体的实施方式，由所述单片机控制模块调整可编程电阻R8的电阻值，以调 整所述PI电路的比例系数R10/R8；

由所述单片机控制模块调整可编程电阻R8和R10的电阻值且保持所述PI电路的比例 系数R10/R8不变，以调整所述PI电路的积分系数。

本发明的有益效果在于：本发明通过改变PI电路元件的参数使电容式微机械加速度计 系统的阻尼比和固有频率可调，进而达到改善系统动态性能的目的。因此本发明的实现手段 简单容易，并且本发明可根据电容式微机械加速度计系统的超调量和稳态响应时间的设定指 标，而相应改变PI电路元件的参数，方便对电容式微机械加速度计系统的调试，因此使设 计成本更低，制作调试的时间周期更短。

附图说明

图1是本发明电容式微机械加速度计系统的结构原理图；

图2是本发明系统的一种实施例的结构原理图；

图3是本发明电荷放大电路的原理图；

图4是本发明差分放大模块的原理图；

图5是本发明PI电路的原理图；

图6是本发明单片机控制模块的工作原理图；

图7是本发明电容式微机械加速度计动态性能改善方法流程图；

图8是本发明单片机控制模块的工作流程图。

附图标记列表

1：电容式微机械加速度计  2：差分电容检测模块  3：电荷放大器

4：差分放大模块          5：PI电路            6：数据采集器

7：数据处理装置          8：单片机控制模块

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

图1是本发明电容式微机械加速度计系统的结构原理图，本发明的电容式微机械加速度 计动态性能改善系统包括电容式微机械加速度计1和检测电路；检测电路包括差分电容检测 模块2、电荷放大电路3、差分放大模块4、PI电路5、数据采集器6和数据处理装置7。

电容式微机械加速度计1与差分电容检测模块2连接，当电容式微机械加速度计1获得 加速度时，差分电容检测模块2检测电容式微机械加速度计1的两个固定极板分别与中间极 板的电容变化，即C1和C2变化，并根据C1和C2变化，相应地产生的差分电容信号。

差分电容检测模块2与电荷放大电路3连接，通过电荷放大电路3将差分电容信号进行 放大，并将其转化为电压信号。

电荷放大电路3与差分放大模块4连接，通过差分放大模块4将电压信号转化为直流电 压信号。

差分放大模块4连接与PI电路5连接，通过PI电路5对直流电压信号进行放大处理和 消除静态误差的处理而输出反馈电压。

PI电路5的输出端与电容式微机械加速度计1连接，形成闭环回路，其中，电容式微机 械加速度计1包括两个固定极板和一个中间极板，电容式微机械加速度计中的一个固定极板 的电压输入端与PI电路5的输出端连接，另一个固定极板的电压输入端通过反相器与PI电 路5的输出端连接，以通过两个固定极板的输入电压对中间极施加静电力负反馈。

而且，PI电路5与数据采集器6连接，可通过数据采集器6采集PI电路的反馈电压信 号，数据处理装置7与数据采集器6连接，通过数据处理装置7来分析处理数据采集器6采 集的反馈电压信号，并输出相应的分析处理结果，输出的分析处理结果包含电容式微机械加 速度计系统的超调量和稳态响应时间与设定要求的超调量和稳态响应时间的差值和需达到设 定要求PI电路5中对应元件应取的参数。

因此，根据所述分析处理结果，PI电路5相应地调整其对应元件的参数，PI电路5输 出的反馈电压也相应变化，使其施加在电容式微机械加速度计上的静电力负反馈的也相应变 化，最终达到调节电容式微机械加速度计系统的阻尼的目的，进而使电容式微机械加速度计 系统的超调量和稳态响应时间达到设定要求。

本发明的电容式微机械加速度计动态性能改善系统，是通过PI电路输出的反馈电压作 用在电容式微机械加速度计的两个固定极板上，对中间极板施加静电力负反馈而调节电容式 微机械加速度计系统的阻尼，从而调整电容式微机械加速度计系统的超调量和稳态响应时 间，即达到改善其动态性能的目的。

图2是本发明系统的一种实施例的结构原理图，其中，数据处理装置7替代为单片机控 制模块8，通过单片机控制模块8来处理数据采集器6采集的反馈电压信号。

本发明系统中的数据处理装置7可以是计算机，或者其他可达到本发明中的数据处理装 置7等同技术效果的设备或装置。

图3是本发明电荷放大电路的原理图，其中，电荷放大电路3包括运算放大器U1，和 分别并联在运算放大器U1的反相输入端和其输出端的电阻R1和电容C3；差分电容信号由 运算放大器U1的反相输入端输入，经放大后转化为电压信号V₁，并将电压信号V₁输出至 差分放大模块。

图4是本发明差分放大模块的原理图，差分放大模块4包括相位开关、滤波电路和差分 放大电路；其中，相位开关将电压信号V₁分为正电压信号V₃和负电压信号V₄，滤波电路 对正电压信号V₃和负电压信号V₄滤波，并将滤波后的所述正电压信号和负电压信号传输至 差分放大电路的运算放大器U2的同相输入端和反相输入端，差分放大电路输出同相输入端 和反相输入端的电压，而输出直流电压V₇至PI控制电路5。

图5是本发明PI电路的原理图，其中，PI电路5包括运算放大器U3、电阻R8、电阻 R9、电阻R10和电容C6；其中，运算放大器U3的反相输入端通过电阻R8与差分放大模块 的输出端连接，运算放大器U3的同相输入端接地；电阻R9和电容C6串联后连接在运算放 大器U3的反相输入端和其输出端之间；电阻R10的两端分别连接运算放大器U3的反相输 入端和其输出端。

其中，直流电压V₇通过电阻R8流入至运算放大器U3的反相输入端，由于电阻R8、 R10与运算放大器U3构成的反相比例运算电路，对直流电压V₇放大R10/R8倍；电阻R8、 R9，电容C6和运算放大器U3构成积分运算电路，且由于电阻R9和电容C6串联后与电阻 R10的并联关系，因此反相比例运算电路与积分运算电路输出的电压相同，即相当于对直流 电压V₇进行了放大和消除静态误差的处理后输出反馈电压V₀。

PI电路5通过一条支路将反馈电压V₀传输至电容式微机械加速度计的一个固定极板 上，通过另一条设置有反相器的支路将反馈电压V₀传输至电容式微机械加速度计1的另一 个固定极板上，通过电容式微机械加速度计1的两个固定极板与中间极板之间的电场力作 用，增加电容式微机械加速度计1的静电力阻尼，从而使电容式微机械加速度计系统的阻尼 增大。

具体的，PI电路5是采用的串联滞后校正的方法，PI电路5的传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{R_{10}}{R_8}\frac{1+{\mathrm{sR}}_9{C}_6}{1+(R_{10}+R_9)C_6}$

根据PI电路5的传递函数，调节PI电路5的电阻R8的电阻值可实现比例系数调节， 电阻R8越小，比例系数越大，反馈电压V₀就越大，产生的静电力阻尼就越大，因此电容式 微机械加速度计系统达到稳定的时间越短，减小了稳态响应时间，但同时其超调量也越大， 降低系统的稳定性。

另一方面，调节电容C6或者电阻R10的参数可以有效地调节PI电路5的积分系数， 为了保持PI电路5的零点位置不变，在保证R10/R8的值不变的条件下，同时调整电阻 R10,R8的电阻值或者单独调整电容C6的值，便可以有效地调节积分时间系数，积分时间系 数越大，即积分作用越弱，电容式微机械加速度计系统的超调量越小。

本发明的电容式微机械加速度计动态性能改善系统通过对电容式微机械加速度计1施加 静电力负反馈的方式来相应地改善其动态性能，从而避免改进电容式微机械加速度计1制作 工艺，降低成本和时间周期，并提供了一种更简易可行的调试装置。

图6是本发明单片机控制模块的工作原理图，本发明中的数据处理装置7采用单片机控 制模块8，并且PI电路5中的电阻R8和电阻R10是可编程电阻，其中，单片机控制模块8 包括MCU、比较控制器，MCU通过两个比较控制器分别与可编程电阻R8、R10连接，数 据采集器6将采集的反馈电压信号传输至MCU。

由于反馈电压信号可以表征电容式微机械加速度计1检测到的加速度信号，因此， MCU通过对反馈电压信号进行运算分析处理，可获取超调量数据和稳态响应时间数据，同 时，比较超调量数据与超调量设定值和稳态响应时间数据与稳态响应时间设定值，根据比较 处理的结果，MCU生成相应的超调量控制信号和稳态响应时间控制信号。

按照设定的顺序，MCU先开启超调量控制信号的输出端口，关闭稳态响应时间控制信 号的输出端口，与可编程电阻R8相连的比较控制器根据超调量控制信号，相应地调整可编 程电阻R8的电阻值。当完成对可编程电阻R8的调整时，MCU保存可编程电阻R8、R10 的电阻值数据。

然后，关闭超调量控制信号的数据端口，开启稳态响应时间控制信号的输出端口，两个 与可编程电阻R8、R10连接的比较控制器根据稳态响应时间控制信号，在保持可编程电阻 R8与R10的电阻值按MCU保存的电阻值比例变化的前提下，相应地调整可编程电阻R8、 R10的电阻值。当完成对可编程电阻R8、R10的调整，MCU保存可编程电阻R8、R10的电 阻值。

再次对电容式微机械加速度计系统进行超调量和稳态响应时间的检测，并根据检测的数 据，由单片机控制模块8再次做出相应的处理，以使电容式微机械加速度计系统的超调量和 稳态响应时间达到设定值。

最终达到设定指标时，从单片机控制模块8中导出可编程电阻R10、R10的电阻值，按 照其电阻参数值，将电容式微机械加速度计动态性能改善系统投入生产制造。

本发明的电容式微机械加速度计动态性能改善系统通过单片机控制模块8实现对系统超 调量和稳态响应时间数据的运算处理，而相应地控制可编程电阻R8、R10的电阻值，实现 对电容式微机械加速度计系统的动态性能的自动调节和测试，大大地提升效率。

图7是本发明闭环电容式微机械加速度计动态稳定方法的流程图，其中，该方法包括以 下步骤：

步骤10，电容式微机械加速度计1的中间极板会由于惯性力的作用而偏离中心位置， 而使中间极板与电容式微机械加速度计的两个固定极板之间的电容发生变化，差分电容检测 模块2由其内部的低功率振荡器产生激励方波来检测电容变化，并根据检测的电容变化，相 应地输出差分电容信号至电荷放大电路3。

步骤11，电荷放大电路3接收差分电容检测模块2输出的差分电容信号，对其进行放 大处理，并输出相应的电压信号至差分放大模块4。

步骤12，差分放大模块4接收电荷放大电路3输出的电压信号，对电压信号进行滤波 和放大处理，输出相应的直流电压至PI电路5；

步骤13，PI电路接5收差分放大模块输出的直流电压，通过PI电路5的比例运算电路 和积分运算电路，对直流信号放大和消除静态误差的处理，输出相应的反馈电压至电容式微 机械加速度计1；通过反馈电压在电容式微机械加速度计1的两个固定极板间产生电场力， 以对中间极板施加静电力负反馈。

步骤14，通过适用于电容式微机械加速度计1的数据采集器6来采集反馈电压信号， 将数据采集器6连接至数据处理装置7，通过数据处理装置7来读取采集的反馈电压信号， 并对其进行分析处理，而获取超调量和稳态响应时间的数据，再将获取的超调量和稳态响应 时间的数据分别与超调量和稳态响应时间的设定值做比较，若满足设定的要求，则保持参数 值，否则计算出PI电路5中需改变的元件参数值；最后将分析处理结果输出。

步骤15，根据数据处理装置输出的分析处理结果，相应地改变PI电路5中元件的参数 值，再次进行调试，即依次重复上述步骤，最终使电容式微机械加速度计系统的超调量和稳 态响应时间达到设定要求。

利用本发明系统的电容式微机械加速度计动态稳定方法，通过调整PI电路5的元件参 数来改变反馈电压而调整反馈电压产生的静电力负反馈，以达到调整电容式微机械加速度计 系统阻尼的目的，从而调整电容式微机械加速度计系统的超调量和稳态响应时间，改善其动 态性能。

本发明的方法相比通过改进电容式微机械加速度计的结构或制作工艺来改善电容式微机 械加速度计系统的动态性能的方法而言，成本低、时间周期短，实现容易。

图8是本发明单片机控制模块的工作流程图，其中，第一步，首先打开系统，系统进行 初始化，设定可编程电阻R8和R10的初始值，开始电容式微机械加速度计的调试。

第二步，单片机控制模块8通过数据采集器6采集PI电路的反馈电压信号，由单片机 控制模块8中的MCU对反馈电压信号进行分析处理，获取电容式微机械加速度计系统的超 调量和稳态响应时间。

比较电容式微机械加速度计系统的超调量与其设定值的大小，若大于设定值，则由 MCU计算出差值，并根据相应的差值，输出超调量控制信号至与可编程电阻R8连接的比 较控制器，使比较控制器增大可编程电阻R8的电阻值。当可编程电阻R8的电阻值调整完 成后，MCU将其电阻值保存。

若小于或等于设定值，则保存当前可编程电阻R8的电阻值，同时由MCU比较电容式 微机械加速度计系统的稳态响应时间与其设定值的大小。

第三步，由MCU比较电容式微机械加速度计系统的稳态响应时间与其设定值的大小。

若大于，则由MCU计算出差值，并根据相应的差值，输出稳态响应时间控制信号至与 可编程电阻R8、R10分别连接的比较控制器，并保持当前可编程电阻R8与R10的电阻值 比例不变的条件下，同时减小可编程电阻R8、R10的电阻值；当可编程电阻R8、R10的电 阻值调整完成后，MCU将可编程电阻R8、R10的电阻值保存。

第四步，若电容式微机械加速度计1的稳态响应时间小于或等于设定值，则MCU保存 可编程电阻R8、R10的电阻值，再次对电容式微机械加速度计系统的超调量和稳态响应时 间进行检测，完成调试。

利用本发明系统的电容式微机械加速度计动态稳定方法利用单片机控制模块8对超调量 和稳态响应时间数据的运算处理，而自动调整可编程电阻R8、R10的电阻值，从而实现了 对电容式微机械加速度计1动态性能的自动调节和测试，大大地提升效率。

此外，本发明还可以将电容C6作为可编程电容，也可达到改变PI电路5参数的目的， 不再赘述，本领域技术人员根据说明书记载的内容不需付出创造性劳动即可得出。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的 启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护 范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利 要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。