一种低噪电容式MEMS加速度传感器及降噪方法

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)技术领域中的传感器领域，特别是涉及一种低噪电容式MEMS加速度传感器及降噪方法。

背景技术

随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功、应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计(microaccelerometer)就是惯性传感器件的杰出代表。微加速度计的理论基础是根据牛顿第二定律，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。作为应用最成熟的惯性传感器，现在的MEMS加速度计有非常高的集成度，即传感系统与接口线路实现了在一个芯片上集成。

现有的MEMS加速度传感器大多采用基于电容换能的架构，电荷反馈实现闭环反馈控制，实现加速度的测量。电容式MEMS加速度计具有优异的零频响应。在极低的频率下，具有高灵敏度和出色的温度稳定性，但是在产品噪声水平上存在较大的差异。从噪声水平看，MEMS加速度计根据其制作工艺，可划分为民品和消费品级MEMS加速度计、专用工业级MEMS加速度计。由于MEMS传感器系统容易受到开关噪声、布朗运动热力学噪声等影响，民品和消费品级MEMS加速度计的噪声水平远远高于专用工业级MEMS加速度计。民品和消费品级MEMS加速度计的噪声水平一般在20至150μg/√Hz，专用工业级MEMS加速度计的噪声水平一般在0.5至10μg/√Hz。

在地震勘探、地震预警、结构健康监测、泥石流滑坡监测等应用领域，需要高精度低噪声MEMS加速度传感器，一般宜选用噪声水平低于10μg/√Hz的MEMS加速度传感器，但是目前民品和消费品级的噪声水平一般均大于20μg/√Hz，仅只有部分专用MEMS加速度传感器的噪声水平能够达到1μg/√Hz，可以满足以上领域的噪声水平要求，但是专业MEMS加速度传感器多为单分向输出，而且每片价格非常昂贵，较难在实际应用中批量使用。因此，如何在现有的民品和消费品级MEMS加速度计的基础上，成本可控的范围内降低MEMS加速度传感器的噪声指标，以满足应用领域的实际需求成为急需解决的问题。

发明内容

针对以上技术问题，本发明的技术方案提出一种低噪电容式MEMS加速度传感器，包括三分向信号调理单元和由若干个传感器单元并联组成的传感器组，所述传感器组的三分向信号输出端对应地连接所述三分向信号调理单元。

作为改进，每个所述传感器单元包括一个电容式MEMS加速度传感器、一个供电滤波电路和一个带宽调理电路。

作为进一步改进，所述供电滤波电路包括与供电端连接的电感，所述电感的另一端连接所述加速度传感器的电压输入端；所述供电滤波电路还包括一个与所述电感串接的电容，所述电容另一端接地且与所述加速度传感器并联。

作为进一步改进，所述带宽调理电路包括三分向缓冲器和选频电容组。

作为进一步改进，每个所述加速度传感器的三分向信号输出端分别连接一个所述选频电容的一端并对应地串接所述三分向缓冲器输入端；所有所述选频电容末端信号接地；所有所述三分向缓冲器的输出端对应地连接所述阵列传感器的三分向信号输出端。

作为进一步改进，所述三分向信号调理单元包括三分向运算放大器，所述传感器阵列的三分向信号输出端分别对应地连接所述三分向运算放大器的输入端。

本发明还提出一种基于电容式MEMS加速度传感器的降噪方法，包括以下步骤：

取若干传感器单元并联组成传感器组；

取一个三分向信号调理单元，并将所述三分向信号调理单元对应地连接所述传感器组的三分向信号输出端。

优选地，所述传感器单元的获取方法包括以下步骤：

取若干电容式MEMS加速度传感器；

取若干供电滤波电路；

取若干带宽调理电路；

将所述供电滤波电路连接所述电容式MEMS加速度传感器的供电端；

将所述带宽调理电路连接所述电容式MEMS加速度传感器的输出端。

优选地，所述供电滤波电路的获取方法包括以下步骤：

取若干电感和若干第一电容器；

将每个所述电感的输入端连接供电电路，另一端串接一个所述第一电容器；

将所述第一电容器的末端接地；

将所述第一电容器与所述电容式MEMS加速度传感器并联。

优选地，所述带宽调理电路的获取方法包括以下步骤：

取若干三分向缓冲器和若干选频电容；

将每个所述选频电容连接每个所述电容式MEMS加速度传感器的三分向信号输出端；

将每个所述三分向缓冲器的输入端对应地连接每个所述电容式MEMS加速度传感器的三分向信号输出端。

本发明的技术方案在现有模拟输出民用级MEMS加速度传感器(属于第一类电容式MEMS加速度传感器)的基础上，通过将多片MEMS加速度传感器进行级联阵列降噪技术形成MEMS加速度传感器阵列，可以达到将MEMS加速度传感器噪声水平降低√N倍的同时，成本约增加N倍的效果。

本发明的技术方案从一定程度上达到用户所需求的MEMS加速度传感器降噪水平，产品价格相对于直接选用噪声水平相当的MEMS加速度传感器大幅降低。

附图说明

图1、低噪电容式MEMS加速度传感器的结构示意图；

图2、供电滤波电路图；

图3、低噪电容式MEMS加速度传感器的电路图；

图4、8片MEMS加速度传感器并联阵列的噪声检测图；

图5、16片MEMS加速度传感器并联阵列的噪声检测图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式具体解释本发明的技术方案。

一些实施方式包括一种低噪电容式MEMS加速度传感器，结构如图1所示，包括三分向(X、Y、Z)信号调理单元(BX、BY、BZ)和由若干个传感器单元(A

其中，电压在加载到传感器阵列之前通常经过并联电容组的降噪滤波。多个传感器单元(A

电容式MEMS加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器，其中包括固定的电极和可动电极(质量块m)。在外力作用下可动电极发生位移，使电容量发生变化。

质量块m由于加速度造成的微小位移可转化为差动电容的变化，并且两电容的差值与位移量成正比。可得输入加速度a和差动电容C变化的关系为：

MEMS加速度传感器的自噪声主要来源是MEMS传感器的布朗热噪声，MEMS加速度传感器的布朗运动热力学噪声等效公式为

其中，g为噪声，m为电容等效质量，Q为加速度计品质因数，ω

由加速度变化到敏感电容变化的灵敏度为

其中，△C为加速度计变化的电容，d

当N片MEMS加速度传感器并联布设成阵列，电容等效C

一些实施方式包括，每个传感器单元包括一个电容式MEMS加速度传感器、一个供电滤波电路和一个带宽调理电路。

其中，电容式MEMS加速度传感器主要包括民用级、价格较为低廉的MEMS加速度传感器。

一些更具体的实施方式中供电滤波电路如图2所示，包括与供电端连接的电感(FB优选为磁珠)，电感的另一端连接加速度传感器的电压输入端；供电滤波电路还包括一个与电感FB串接的电容C，电容C另一端接地且与MEMS加速度传感器并联。

由系统供电VCC和GND通过磁珠FB和电容C滤波后连接至每片电容式MEMS加速度传感器的供电端VCC和GND以降低传感器阵列中各单元之间的供电串扰。

一些更具体的实施方式中，带宽调理电路包括三分向缓冲器和选频电容组。

一些更具体的实施方式中，电路如图3所示，每个加速度传感器的三分向信号输出端(Xo

一些实施方式中的三分向信号调理单元，包括三分向运算放大器，传感器组的三分向信号输出端分别对应地连接三分向运算放大器的输入端。

一些更具体的实施方式中，通过4片民用级MEMS传感器(LIS344ALH，MouserElectronics,Inc.)并联组成传感器组(阵列)实现噪声水平降低2倍的目标，成本增加约4倍，相对于直接选用噪声水平低2倍的现有MEMS传感器，通过阵列技术降噪方式达到相同的噪声水平成本仅为五分之一。

通过16片民用级MEMS传感器(LIS344ALH，Mouser Electronics,Inc.)并联组成传感器组(阵列)实现噪声水平降低4倍的目标，成本增加约16倍，相对于直接选用噪声水平低4倍的现有MEMS传感器，通过阵列技术降噪方式达到相同的噪声水平成本仅为二十分之一。

为了进一步验证MEMS加速度传感器组(阵列)降噪效果，分别将8片和16片MEMS加速度传感器(LIS344ALH，Mouser Electronics,Inc.)并联组成阵列，接入同一个数据采集器进行记录，并分别绘制MEMS加速度传感器阵列(8片和16片)在三个分向的噪声谱密度，动态范围对比如表1：

表1.MEMS传感器阵列动态范围与阵列数量关系

分别对8片MEMS加速度传感器阵列和16片MEMS加速度传感器阵列噪声进行检测，检测结果反映了本发明技术方案的降噪效果：其中，8片MEMS加速度传感器阵列的噪声水平如图4所示；16片MEMS加速度传感器阵列的噪声水平如图5所示。从效果可以看出，16片MEMS加速度传感器阵列比8片MEMS加速度传感器阵列，噪声水平降低√2倍，动态范围提高3dB，与理论计算基本相符。

本发明还提供了一种基于电容式MEMS加速度传感器的降噪方法，该方法包括以下步骤：

取若干传感器单元并联组成传感器组；

取一个三分向信号调理单元，并将所述三分向信号调理单元对应地连接所述传感器组的三分向信号输出端。

优选地，包括一种传感器单元的获取方法包括以下步骤：

取若干电容式MEMS加速度传感器；

取若干供电滤波电路；

取若干带宽调理电路；

将供电滤波电路连接电容式MEMS加速度传感器的供电端；

将带宽调理电路连接电容式MEMS加速度传感器的输出端。

优选地，还包括供电滤波电路的获取方法：

取若干电感和若干第一电容器；

将每个电感的输入端连接供电电路，另一端串接一个第一电容器；

将第一电容器的末端接地；

将第一电容器与所述电容式MEMS加速度传感器并联。

优选地，带宽调理电路的获取方法包括以下步骤：

取若干三分向缓冲器和若干选频电容；

将每个选频电容连接每个电容式MEMS加速度传感器的三分向信号输出端；

将每个三分向缓冲器的输入端对应地连接每个电容式MEMS加速度传感器的三分向信号输出端。

虽然本说明书包含很多具体的实施细节，但是这些不应当被解释为对任何发明的范围或者对可以要求保护的内容的范围的限制，而是作为可以使特定发明的特定实施方式具体化的特征的说明。在独立的实施方式的语境中的本说明书中描述的特定特征还可以与单个实施方式组合地实施。相反地，在单个实施方式的语境中描述的各种特征还可以独立地在多个实施方式中实施，或者在任何合适的子组合中实施。此外，虽然以上可以将特征描述为组合作用并且甚至最初这样要求，但是来自要求的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合去掉，并且要求的组合可以转向子组合或者子组合的变形。

相似地，虽然以特定顺序在附图中描述了操作，但是不应当理解为：为了实现期望的结果，要求这样的操作以示出的特定顺序或者以顺序次序而执行，或者所有图示的操作都被执行。

已经描述了主题的特定实施方式。其他实施方式在以下权利要求的范围内。例如，在权利要求中记载的活动可以以不同的顺序执行并且仍旧实现期望的结果。作为一个实例，为了实现期望的结果，附图中描述的处理不必须要求示出的特定顺序或者顺序次序。在特定实现中，多任务处理和并行处理可以是有优势的。