CN112485469A - 一种谐振式微机械加速度计及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振式微机械加速度计及其控制方法，属于加速度测量技术领域。质量块在受到水平敏感方向上的加速度时，发生位移变化并通过位移检测电容和CV电路转化成电压变化，该电压变化可以表征外界加速度变化；另一方面，质量块在水平方向的位移同样引起三角形调谐电容交叠面积变化，从而改变三角形调谐电容在垂直方向的静电负刚度大小，因此质量块在垂直方向上的谐振频率发生偏移，通过频率偏移变化可以从另外一个角度表征外界加速度变化，还可以通过调节三角形调谐电容的控制电压变化来补偿频率偏移，该控制电压变化也可以用来反映加速度大小，实现闭环。本发明具有两种互补检测方式，可应用于多种场合的加速度信号检测。

Description

一种谐振式微机械加速度计及其控制方法

技术领域

本发明属于加速度测量技术领域，更具体地，涉及一种谐振式微机械加速度计及其控制方法。

背景技术

谐振式微机械加速度计通过感知谐振频率变化量来获取外界加速度大小，可以直接输出准数字量，与数字控制电路兼容性较强，测量精度高，已经广泛应用于航空航天和军事领域。谐振式微机械加速度计一般包括质量块和谐振器，两者通常分开，质量块在外界加速度作用下发生位移，通过应力或静电负刚度方式改变谐振器的谐振频率，通过对谐振器的频率偏移进行跟踪，可以测量加速度变化。谐振式微机械加速度计一般还需要杠杆结构，将质量块在加速度作用下产生的惯性力放大后传递至谐振器上，通过检测谐振频率变化得到加速度值。现有的谐振式加速度计由于检测原理的限制，在线性度和灵敏度两个重要指标上无法兼顾，而且在提高灵敏度的同时会恶化量程范围内的线性度，并带来振动非线性问题，从而加大谐振控制的难度。

发明内容

针对现有的谐振式微机械加速度计上的缺点和不足，本发明提供了一种谐振式微机械加速度计及其控制方法，利用静电负刚度方式改变谐振频率偏移的方法测量加速度，并同时保留质量块位移检测加速度的检测方法并将质量块和谐振器合二为一，因此结构更为简单。

本发明的质量块的加速度敏感方向和谐振方向正交，通过三角形调谐电容的静电负刚度作用，两个正交运动耦合在一起；由于敏感方向和谐振方向运动在频率上分离开来，可以采用低通滤波和解调信号处理的方法，将敏感方向位移变化和谐振方向频率偏移两种互补且包含加速度信息的提取出来。两种互补检测方法可单独或联合使用，以适应不同应用场合，从而满足对量程、灵敏度和线性度的需求；通过加权数据融合技术，加速度检测精度和量程有望进一步提升。此外，本发明的微机械加速度计制造工艺简单，制造成本可以得到有效的控制。

本发明采用的技术方案如下：

一种谐振式微机械加速度计，包括质量块、硅栅结构、位移检测模块、调谐模块和驱动模块；

所述的质量块通过高深宽比的弹性梁与锚区相连，弹性梁在水平敏感轴方向上的刚度小于垂直方向上的刚度，质量块和弹性梁组成一个谐振器；硅栅结构布置在质量块的中间位置上；所述的位移检测模块、调谐模块和驱动模块布置在与硅栅结构相对应的基板上，所述的调谐模块通过变面积型三角形调谐电容等效降低加速度计在垂直方向上的刚度；

所述的谐振式微机械加速度计包含两种加速度检测方式：

在水平敏感轴方向上，所述的位移检测模块通过开环位移检测方式对外界加速度变化进行检测，得到包含加速度信息的位移幅值变化信号；

在垂直方向上，所述的驱动模块通过谐振驱动方式控制谐振器处于谐振状态，获取驱动模块跟踪频率的频率偏移信号，通过频率偏移信息对加速度信息进行同步检测。

本发明的另一目的在于提供一种上述的谐振式微机械加速度计的控制方法，包括以下步骤：

1)在三角形调谐电容的电极上施加固定的直流电压V_dc，并利用扫频驱动的方式获取质量块及弹性梁的初始谐振频率，包括水平敏感轴方向上的初始谐振频率ω_y和垂直方向上的初始谐振频率ω_z0；

2)质量块在受到水平敏感方向上的加速度时会发生位移变化，从而产生电容变化信号；

3)对电容变化信号进行载波调制和两次解调，第一次为载波解调，得到水平敏感方向上的运动幅度信息；第二次为谐振频率解调，跟踪在有加速度输入下的垂直方向上的谐振频率变化，得到垂直方向上的谐振频率偏移信息；

4)分别从运动幅度信息和频率偏移信息中提取加速度信息，对获得的两种加速度信息进行加权数据融合，针对不同量程的加速度输入分别设定两种检测信息的融合权值。

本发明的另一目的在于，在上述控制方法的基础上，实现频率检测方式的闭环。具体为，在三角形调谐电容的电极上施加的直流电压并非固定不变的，其会根据频移信息进行补偿，即可以通过调节三角形调谐电容的控制电压变化，在有加速度输入下，维持垂直方向上的谐振频率恒定，该控制电压变化可以用来反映加速度大小，实现闭环控制，具备更高的线性度。

总体来说，通过上述本发明所构思的技术方案和现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明基于两种感应机理实现对加速度的测量，具体实现方法是在水平敏感方向上的位移检测以及在垂直正交方向上的谐振频率跟踪，两种方法配合使用后，可以扩大应用场合和灵活度；还可以利用加权数据融合技术将两种检测结果进行融合，消除共模误差和耦合误差进一步提高加速度测量精度和量程。

(2)本发明结构简单，质量块和弹性梁组成一个谐振器，即质量块和谐振器合二为一，且无需额外的杠杆结构，可批量加工制造。

(3)本发明的两种检测信号在频率上是分离的，利用低通滤波和解调信号处理可以降低相互干扰。

附图说明

图1是本发明实施例提供的谐振式微机械加速度计的硅结构示意图；

图2是本发明提供的基板电容电极示意图；

图3是本发明中微机械加速度计的一种控制和信号处理示意图；

图4是本发明中微机械加速度计的第二种控制和信号处理示意图；

在所有附图中，x轴表示非敏感轴方向，y轴表示敏感轴方向，z轴表示谐振方向，相同的附图标记用来表示相同的结构，其中：1为质量块，2为弹性梁，3为梳齿电容，4为锚区，5为硅栅结构，6为阻挡块，7为位移检测金属电极，8为位移检测差分电极，9为三角形调谐电极，10为驱动电极。

具体实施方式

为了更加清楚的表达本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图和公式推导进一步解释。应当理解，此处的原理用以解释本发明，但并不限定于本发明。

本发明包括硅和玻璃电极双层结构，硅上含有质量块、硅栅条、梳齿电容、弹性梁、阻挡块和锚区等结构。图1是本发明实施例提供的谐振式微机械加速度计的硅结构示意图，包括质量块1、弹性梁2、梳齿电容3、锚区4、硅栅结构5、阻挡块6。梳齿电容与质量块构成差分电容结构，梳齿电容3用于调节品质因子，可以增加质量块在水平敏感方向上的压膜阻尼，用于稳定水平方向的开环检测，而随之在垂直方向上产生的滑膜阻尼则对谐振运动影响不大。

硅栅结构布置在质量块的中间位置上，质量块通过高深宽比的弹性梁支撑，与锚区相连，且硅质量块和弹性梁组成一个谐振器，即加速度计的谐振器和质量块合二为一，质量块的加速度敏感方向和质量块谐振方向正交，其中y方向为加速度敏感方向，刚度和谐振频率较低，避免模态频率接近引起耦合；而z方向为三角形调谐方向，刚度和谐振频率较高。锚区上还设有阻挡块，将弹性梁约束在量程区间内，防止梳齿电容发生碰撞。此外，本发明在硅栅结构相对应的基板上还设有位移检测模块、调谐模块和驱动模块。

本发明的位移检测模块可以检测到两个频率上的目标信号，一是代表水平敏感轴方向位移的直流信号，二是代表垂直方向上谐振振幅的交变信号。也就是说，在工作过程中，谐振式微机械加速度计包含两种加速度检测方式：

y方向受外界加速度作用产生位移，位移检测模块通过开环位移检测方式对外界加速度变化进行检测，得到包含加速度信息的幅值变化信号。

另一种频率检测方式是由三角形调谐电容的静电负刚度作用配合实现；由于质量块受加速度作用发生位移，同时三角形电极板与质量块极板之间的交叠面积发生变化，当三角形电容两极板被施加于直流电压时，三角形电容在垂直方向上的静电负刚度大小发生变化，从而引起垂直方向上谐振频率偏移。因此z方向受驱动模块的闭环谐振驱动方式产生谐振运动，获取驱动模块跟踪频率的频率偏移信号，通过频率偏移对加速度信息进行同步检测。

因此，最终得到的质量块位移信号为y和z两个方向上的位移之和，通过滤波和解调等信号处理，可以分别得到正比于加速度的y向幅度和z向频率信号，相互不受影响。两种互补检测方法可单独使用，分别得到加速度信息，也可以将两种结果经过信息融合方法，例如将两种方式得到的加速度结果加权，得到处理后的加速度输出，能够消除共模误差和耦合误差，进一步提升加速度检测精度和量程，以适应不同应用场合。在本发明的一项具体实施中，还可以根据量程大小调整权值，例如在小量程内提高频率检测方式获得的加速度权值，而在大量程时提高幅值检测方式获得的加速度权值。

在本发明的一项具体实施中，对幅值变化信号和频率偏移信号进行融合处理时，还可以对温度效应引起的误差进行补偿，进一步提升加速度检测精度。

在本发明的一项具体实施中，谐振式加速度计中的位移检测模块(用于检测质量块y向运动位移的结构)采用差分硅栅电容，可以同时检测y向和z向运动，驱动模块(用于驱动质量块z向运动的结构)采用变间隙型硅栅电容，调谐模块(用于调节z向刚度的结构)采用变面积型三角形调谐电容。图2是本发明提供的与硅栅结构相对部分的基板电容电极示意图，包括位移检测金属电极7，位移检测差分电极8，调谐三角形电极9，驱动电极10。优选的，驱动模块的电容和位移检测模块的电容为相同结构，但控制方式不同；驱动电容中金属电极上施加了相同驱动信号；位移检测电容中两个金属电极板上分别施加了两个大小相同、符号相反的载波信号，而相对的质量块极板上的电容信号经过差分和放大后可以表征位移信号。

本发明提出的谐振式加速度计位移检测采用差分电容实现，可以同时检测加速度敏感方向和谐振方向上的运动位移，在敏感方向上的运动位移可以采用高频载波调制和一次解调(载波频率)方式，经过低通滤波得到等效于y向位移的电压变化信号，同时一次解调后信号再经过二次解调(一次载波解调，第二次为谐振频率解调)，经过锁相环提取等效于z向谐振频率的数字信号，并对质量块进行恒幅驱动和频率跟踪。图3是本发明提供的控制和信号处理示意图，包括载波调制、电容/电压转换、一次解调、低通滤波、二次解调、频率跟踪控制、驱动、三角形调谐以及信息融合。

下面根据图3和图4所示的示意图对本发明提出的加速度计工作过程进行具体的介绍。

图3为一种开环工作模式：

1)根据预设的工作谐振频率得到在三角形调谐电容的电极上需要施加固定的直流电压V_dc，等效降低加速度计的刚度和谐振频率；

2)采用扫频驱动的方式获取质量块及弹性梁的初始谐振频率，包括水平敏感轴方向上的初始谐振频率ω_y和垂直方向上的初始谐振频率ω_z0；在驱动电容的电极上施加谐振驱动信号，质量块在驱动电容的控制下发生垂直方向上的运动，使得质量块及弹性梁处于谐振状态；

3)质量块在受到水平敏感方向上的加速度时会发生位移变化，从而产生电容变化信号，包括水平位移引起的电容变化信号、以及垂直方向上谐振运动产生的电容变化信号；

4)对电容变化信号进行载波调制和两次解调，第一次为载波解调，第二次为谐振频率解调，得到水平敏感方向上的位移信息和垂直方向上的谐振频率偏移信息，具体为：

对水平位移产生的电容变化信号进行载波调制，并转换为电压检测信号，再通过载波解调和低滤波处理后提取到水平敏感方向上的加速度引起的位移信息；

三角形调谐电容与质量块的交叠面积变化会引起垂直方向的静电负刚度大小变化，使得质量块在垂直方向上的谐振频率发生偏移；通过对电压检测信号进行谐振频率解调，改变在驱动电容的电极上施加的驱动信号，对垂直方向上的谐振运动进行恒幅控制和频率跟踪，将跟踪频率变化值作为频移偏移信息；

5)分别从水平位移信息和垂直频率偏移信息中提取加速度信息，对获得的两种加速度信息进行加权数据融合，针对不同量程的加速度输入分别设定两种检测信息的融合权值。

图4为一种闭环工作模式：

1)在三角形调谐电容的电极上施加直流电压，并利用驱动扫频的方式获取质量块及弹性梁的垂直方向上的初始谐振频率，将初始谐振频率作为参考频率；

2)质量块在受到水平敏感方向上的加速度时会发生位移变化，从而产生电容变化信号；

3)对电容变化信号进行载波调制和两次解调，第一次为载波解调，得到水平敏感方向上的位移信息；第二次为谐振频率解调，跟踪在有加速度输入下的垂直方向上的谐振频率变化，并实时输出谐振频率；

4)在控制器内将输出谐振频率和参考频率比较，并将偏差值经过比例、积分和微分运算，得到施加在三角形调谐电容上的控制电压，利用等效负刚度的方法调节垂直方向上的谐振频率，使其与参考频率保持一致，实现闭环控制；

5)将三角形调谐电容上的控制电压输出，经过标定得到加速度信息；

6)从水平位移信息中提取加速度信息，与频率标定得到的加速度信息进行加权数据融合，针对不同量程的加速度输入分别设定两种检测信息的融合权值。

图3在图4的基础上实现了频率检测方式的闭环，其在三角形调谐电容的电极上施加的直流电压并非固定不变的，会根据频移信息进行补偿，即可以通过调节三角形调谐电容的直流电压变化，在有加速度输入下，维持垂直方向上的谐振频率恒定，该直流控制电压变化可以用来反映加速度大小，实现闭环控制，具备更高的线性度。

在本发明的一项具体实施中，对电容变化信号进行解调包括两次解调过程，第一次为载波解调，第二次为谐振频率解调。对电容变化信号进行解调获取位移信息和谐振频率偏移信息的过程包括：

对位移检测电容变化时产生的直流信号进行载波调制，并通过电容/电压转换模块转换为电压检测信号，该电压信号可以表征外界加速度变化，再通过解调模块(载波解调)和滤波模块(低滤波处理)提取到水平敏感方向上的位移信息。

另一方面，质量块在水平方向的位移同样引起三角形调谐电容与质量块的交叠面积变化，从而改变三角形调谐电容在垂直方向的静电负刚度大小，因此质量块在垂直方向上的谐振频率发生偏移，通过频率偏移变化可以从另外一个角度表征外界加速度变化。对电压检测信号进行谐振频率解调，通过改变在驱动电容的电极上施加的驱动信号，质量块在驱动电容的控制下发生垂直方向上的运动，使得质量块及弹性梁处于谐振状态，对垂直方向上的谐振运动进行恒幅控制和频率跟踪，所述的恒幅控制和频率跟踪方式采用自激驱动方式或自动幅值增益加锁相环驱动方式，实现闭环控制，同时将跟踪频率变化信息作为频率偏移信息。

在第一种工作方式下，根据三角形调谐原理，可以得到z向谐振频率(ω_z)关于y向加速度(a_y)的灵敏度关系式为：

其中，ω_z为垂直方向上的谐振频率，a_y为水平敏感方向上的加速度，ε为介电常数，θ和N分别为三角形调谐电容中的三角形特征角度和数量，V_dc为三角形调谐电容间的直流电压，ω_z0和ω_y分别为z向和y向的初始谐振频率，g为三角形调谐电容间隙。

由上式可以得到，谐振频率的偏移与加速度之间在一定范围加速度输入下呈近似线性关系，随着加速度的增加，两者呈二次抛物线关系。基于上式，可以利用谐振频率偏移来准确表征外界加速度变化。

本领域的技术人员应理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种谐振式微机械加速度计，其特征在于，包括质量块、硅栅结构、位移检测模块、调谐模块和驱动模块；

所述的质量块通过高深宽比的弹性梁与锚区相连，弹性梁在水平敏感轴方向上的刚度小于垂直方向上的刚度，质量块和弹性梁组成一个谐振器；硅栅结构布置在质量块的中间位置上；所述的位移检测模块、调谐模块和驱动模块布置在与硅栅结构相对应的基板上，所述的调谐模块通过变面积型三角形调谐电容等效降低加速度计在垂直方向上的刚度；

所述的谐振式微机械加速度计包含两种加速度检测方式：

在水平敏感轴方向上，所述的位移检测模块通过开环位移检测方式对外界加速度变化进行检测，得到包含加速度信息的位移幅值变化信号；

在垂直方向上，所述的驱动模块通过谐振驱动方式控制谐振器处于谐振状态，获取驱动模块跟踪频率的频率偏移信号，通过频率偏移信息对加速度信息进行同步检测。

2.根据权利要求1所述的谐振式微机械加速度计，其特征在于，还包括加速度融合模块，通过融合模块对由幅值变化信号提取的加速度信息和频率偏移信号提取的加速度信息进行融合处理。

3.根据权利要求1所述的谐振式微机械加速度计，其特征在于，在所述锚区内还设有防止梳齿电容发生碰撞的阻挡块结构。

4.根据权利要求1所述的谐振式微机械加速度计，其特征在于，还包括用于调节品质因子的梳齿电容。

5.根据权利要求1所述的谐振式微机械加速度计，其特征在于，所述的位移检测模块采用差分硅栅电容，所述的驱动模块采用变间隙型硅栅电容。

6.一种权利要求1所述的谐振式微机械加速度计的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在三角形调谐电容的电极上施加固定的直流电压V_dc，并利用扫频驱动的方式获取质量块及弹性梁的初始谐振频率，包括水平敏感轴方向上的初始谐振频率ω_y和垂直方向上的初始谐振频率ω_z0；

2)质量块在受到水平敏感方向上的加速度时会发生位移变化，从而产生电容变化信号；

3)对电容变化信号进行载波调制和两次解调，第一次为载波解调，得到水平敏感方向上的运动幅度信息；第二次为谐振频率解调，跟踪在有加速度输入下的垂直方向上的谐振频率变化，得到垂直方向上的谐振频率偏移信息；

4)分别从运动幅度信息和频率偏移信息中提取加速度信息，对获得的两种加速度信息进行加权数据融合，针对不同量程的加速度输入分别设定两种检测信息的融合权值。

7.根据权利要求6所述的谐振式微机械加速度计的控制方法，其特征在于，垂直方向上的谐振频率ω_z与水平敏感方向上的加速度a_y的灵敏度关系式为：

其中，ω_z为垂直方向上的谐振频率，a_y为水平敏感方向上的加速度，ε为介电常数，θ和N分别为三角形调谐电容中的三角形特征角度和数量，V_dc为三角形调谐电容间的直流电压，ω_z0和ω_y分别为水平敏感轴方向上的初始谐振频率和垂直方向上的初始谐振频率，g为三角形调谐电容间隙。

8.一种权利要求1所述的谐振式微机械加速度计的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在三角形调谐电容的电极上施加直流电压，并利用驱动扫频的方式获取质量块及弹性梁的垂直方向上的初始谐振频率，将初始谐振频率作为参考频率；

2)质量块在受到水平敏感方向上的加速度时会发生位移变化，从而产生电容变化信号；

3)对电容变化信号进行载波调制和两次解调，第一次为载波解调，得到水平敏感方向上的运动幅度信息；第二次为谐振频率解调，跟踪在有加速度输入下的垂直方向上的谐振频率变化，并实时输出谐振频率；

4)在控制器内将输出谐振频率和参考频率比较，并将偏差值经过比例、积分和微分运算，得到施加在三角形调谐电容上的控制电压，利用等效负刚度的方法调节垂直方向上的谐振频率，使其与参考频率保持一致，实现闭环控制；

5)将三角形调谐电容上的控制电压输出，经过标定得到加速度信息；

6)从运动幅度信息中提取加速度信息，与标定得到的加速度信息进行加权数据融合，针对不同量程的加速度输入分别设定两种检测信息的融合权值。

9.根据权利要求6或8所述的谐振式微机械加速度计的控制方法，其特征在于，所述的步骤3)中，对位移检测电容变化时产生的直流信号进行载波调制，并转换为电压检测信号，再通过载波解调和低滤波处理后提取到水平敏感方向上的运动幅度信息；

三角形调谐电容与质量块的交叠面积变化会引起垂直方向的静电负刚度大小变化，使得质量块在垂直方向上的谐振频率发生偏移；通过对电压检测信号进行谐振频率解调，改变在驱动电容的电极上施加的驱动信号，对垂直方向上的谐振运动进行恒幅控制和频率跟踪，获得跟踪频率。

10.根据权利要求9所述的谐振式微机械加速度计的控制方法，其特征在于，所述的恒幅控制和频率跟踪方式采用自激驱动方式或自动幅值增益加锁相环驱动方式。

Images