电容式微加速度计零偏的补偿方法

　　电容式加速度计的系统结构如图 1(a)所示，系统由敏感元件、电容检测电路、校正电路和力发生器四个部分组成，其系统工作原理如图 1(b)所示。在差动电容的检测电极 S1 和 S2 上分别施加高频激励信号s sU sin(ω t)和s sU sin(ω t+ π)时，敏感质量位移 x 会引起差动电容输出电压1 sU sin(ω t)，该电压经过电容检测电路的放大与解调滤波得到直流电压 UDC，通过校正得到加速度计的电压输出 Uout;在施力电极上将电压输出 Uout与预载电压 Uref叠加，得到反馈电压 Uout+Uref和 Uout-Uref实现闭环控制，使敏感质量工作在平衡位置附近[1]。

　　零偏是加速度计的重要性能指标之一[2]。现有的电容梳齿式微加速度计模型认为，零偏是由机械零位(无加速度输入时动齿的平衡位置)和电零位(前置电路直流输出为零时动齿的位置)的不重合造成的，所造成的零偏为确定性误差[3]。为了解决零偏问题，除了在电路上给予电压偏差补差外[2]，还可以采取偏差补偿电容来调节，使得机械零点和电学零点重合。在电路上

　　进行偏差补偿不但带来电路规模的增加，而且调试过程非常麻烦，不适合规模作业。采用补偿电容进行偏差补偿可以弥补电路补偿的缺点，操作起来非常方便灵活。

　　本文首先给出了微电子补偿电容陈列;接着介绍了基于电荷的电容测量方法并对其进行了验证;最后给出了仿真结果，验证了采取偏差补偿电容来调节，使得机械零点和电学零点重合的可行性。

　　1 微小电容陈列

　　如图 2 所示，利用一系列有规律变化的电容组成电容陈列，实现按一定步长可变的补偿电容。其中，C为单位电容， C0C1…C9为组成电容阵列的电容，S0S1…S9为一组表示二进制系数的模拟电子开关。所以总的电容大小可由10个模拟开关控制位决定，简化的控制真值表如表1所示。

　　2 基于电荷的电容测量方法

　　基于电荷的电容测量方法(CBCM)，不需要任何参考电容，测试本身也是简单的，只需要一个直流电流计[4，5]。测试结构如图 3 所示。它包含一对 NMOS 和一对 PMOS 晶体管，这两对管子连成一个伪反相器结构(每个反相器都有自己的栅输入)。左边的伪反相器结构被用作参考，目的是为了获得更高的精度。除了左边不包含待表征电容外，左右两边结构完全相同。以图 3 为例，左边的结构不包括待测的金属 1 与金属 2 的覆盖电容。

　　图 3 中的信号 V1 和 V2 有两相互不重叠的信号组成，如图 4 所示。这些信号可以是片外产生，也可以是片上产生的。采用互不重叠波形的目的是保证：在主测试结构中，任意时刻，两个管子中只有一个导通。这样以来，从电源到地的短路电流就可以消除掉。当 PMOS 管导通时，它从电源吸引电荷给待测电容充电。这部分电荷接下来又会通过 NMOS 管对地进行放电。我们可以在 PMOS 管的源端放一个电流计(或在 NMOS 管的源端)来测量充电电流。从充电电流的实际波形并不能得到什么结论，需要对其直流值或平均值进行测量。在图 2 中两个直流电流的差值被用来提取待测的电容，具体如方程(1)所示：