[发明专利]差分MEMS谐振加速度计非线性失配的校准装置和校准方法

说明书

一种差分MEMS谐振加速度计非线性失配的校准装置和校准方法，所述的装置包括差分MEMS谐振加速度计、校准控制电路和测试信号发生器，所述的差分MEMS谐振加速度计具有相同的结构第一通道、第二通道。本发明抑制了由于制造缺陷导致的差分MEMS谐振加速度计两路通道非线性刚度不匹配引入的闪变噪声，从而进一步提高了差分MEMS谐振加速度计的性能。本发明在抑制非线性刚度不匹配引入的闪变噪声时，不需要改变本发明差分MEMS谐振加速度计的机械架构，并且可以保持本发明差分MEMS谐振加速度计的高带宽和高信噪比的特性。

技术领域

本发明涉及差分MEMS谐振加速度计，特别是一种差分MEMS谐振加速度计非线性失配的校准装置和校准方法。

背景技术

差分MEMS谐振加速度计因其尺寸小、成本低、功耗低、易于集成等特点，更适用于高精度小型化的加速度测量电路的发展趋势，广泛应用于移动通信、航空航天、医疗设备、游戏等加速度测量场景中。然而，MEMS惯性传感器中极小的微结构惯性传感器中极小的微结构容易受到机械或电子噪音的影响。这限制了差分MEMS谐振加速度计的精度和稳定性。改善差分MEMS谐振加速度计在高精度的需要长期稳定性的应用场景的性能的关键因素是将将测量的加速度中的低频噪声限制在一个低水平范围。降低硅振荡加速度计(SiliconOscillating Accelerometers,以下简称为SOA)性能的低频噪声主要包括随温度变化的偏移和闪变噪声。一种MEMS传感器的设计和温度补偿的方法可以有效减小随温度变化的偏移，但是闪烁噪声在改善硅振荡加速度计(SOA)的最终长期稳定性方面，仍然是一个困难的问题。

现有技术之一——在自动幅度控制电路中抑制非相干噪声的斩波稳定技术，(参见文献[1]，X.Wang et al.,”A 0.4μg Bias Instability and 1.2μg/√Hz Noise FloorMEMS Silicon Oscillating Accelerometer With CMOS Readout Circuit,”IEEEJournal of Solid-State Circuits,vol.52,no.2,pp.472-482,Feb.2017.和图1.在自动幅度控制电路中抑制非相干噪声的斩波稳定技术的工作原理)，该技术将差分MEMS谐振加速度计中自动幅度控制电路中闪烁噪声的影响分为加法和乘法分量，然后采用斩波器稳定技术和无尾电流源误差放大器抑制闪变噪声。该现有技术的缺点是：该技术只针对在自动幅度控制阶段由于差分MEMS谐振加速度计两路幅值不匹配引入的闪烁噪声，对于其他由于器件制造差异引起的闪烁噪声无抑制作用。

现有技术之二——利用新的机械结构来降低MEMS谐振器中的非线性刚度[参见文献2，C.Comi,A.Corigliano,G.Langfelder,A.Longoni,A.Tocchio and B.Simoni,”AResonant Microaccelerometer With High Sensitivity Operating in an OscillatingCircuit,”Journal of Microelectromechanical Systems,vol.19,no.5,pp.1140-1152,Oct.2010.和图2.机械结构示意图]，该装置的工作原理是基于耦合到验证质量块(verification mass)的两个共振梁的频率变化。在外部加速度下，检验质量块(proofmass)的移动会在梁上产生轴向载荷，从而产生相反的刚度变化，进而导致其共振频率的差异分离。由于该装置的创新和优化的几何设计确保了轴向载荷的极大放大，因此获得了高灵敏度。并且其特殊的“L”型几何形状使得该机械结构可以大大减小由于二阶耦合导致的非线性。该现有技术二的缺点如下：

1、该技术只针对在自动幅度控制阶段由于差分MEMS谐振加速度计两路幅值不匹配引入的闪烁噪声，对于其他由于器件制造差异引起的闪烁噪声无抑制作用。

2、该技术没有关注由于制造工艺的缺陷使得该加速度计的参数发生一定变化，从而影响该加速度计测量结构的准确性。