CN115061213A - 一种基于变面积梳齿电容的mems相对重力仪探头及重力仪 - Google Patents
一种基于变面积梳齿电容的mems相对重力仪探头及重力仪 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115061213A CN115061213A CN202210603702.3A CN202210603702A CN115061213A CN 115061213 A CN115061213 A CN 115061213A CN 202210603702 A CN202210603702 A CN 202210603702A CN 115061213 A CN115061213 A CN 115061213A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- comb teeth
- comb
- fixed
- teeth
- probe
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims abstract description 52
- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims abstract description 34
- 244000126211 Hericium coralloides Species 0.000 claims abstract description 46
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 28
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims abstract description 19
- 238000007689 inspection Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 24
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 14
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 13
- 230000009123 feedback regulation Effects 0.000 claims description 4
- 210000001520 comb Anatomy 0.000 claims 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 7
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000000708 deep reactive-ion etching Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V7/00—Measuring gravitational fields or waves; Gravimetric prospecting or detecting
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
- Micromachines (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于变面积梳齿电容的MEMS相对重力仪探头及重力仪，属于仪器仪表领域。探头包括：弹簧结构、检验质量、动梳齿、定梳齿及外框，所述弹簧结构固定端设置在外框上，自由端与检验质量相连，所述动梳齿设置在检验质量的上下表面，所述定梳齿相应的设置在外框上，所述动梳齿和定梳齿均为异形梳齿结构，所述异形梳齿结构包括底部梳齿和顶部梳齿，且所述底部梳齿的宽度小于顶部梳齿的宽度；所述动梳齿的底部梳齿固定在所述检验质量上，所述定梳齿的底部梳齿固定在所述外框上，工作时，所述动梳齿的顶部梳齿与所述定梳齿的顶部梳齿构成变面积差分梳齿电容结构。本发明能够提升电容位移传感的灵敏度，并减小重力仪探头的机械热噪声。
Description
技术领域
本发明属于仪器仪表领域，更具体地，涉及一种应用于精密重力测量的变面积梳齿电容MEMS相对重力仪探头及重力仪。
背景技术
重力场分布取决于地球内部物质构成与分布，精确测定重力场空间分布及其时变特征对地球科学研究、灾害预警、大地测量、武器制导、海洋探测、资源勘探等具有重要意义。
MEMS(微机电***)传感器采用芯片技术设计与加工传感探头，具有尺寸小、低成本、易于与电路集成、易于批量化生产等优点。近年来，MEMS工艺与传感技术的快速发展使得MEMS加速度传感器的分辨率和稳定性有了显著提高，并在精密重力测量中开展应用。
格拉斯哥大学与华中科技大学均采用挡光法进行位移传感研制开环式MEMS重力仪(Tang Shihao et al.Microsystems&nanoengineering,2019,5(1),1-11；Middlemiss RP et al.Nature,2016,531(7596):614–617.)，但该重力仪具有位移传感精度低、响应速度慢等问题。
采用力平衡工作模式能显著提高重力仪响应速度、线性度等关键性能参数。帝国理工大学针对火星探测的应用需求提出了基于表面阵列电容位移传感与磁闭环反馈控制的高精度MEMS加速度计(微震仪)(US20030140699 A1)，显著提高加速度传感精度与响应速度。但磁极体积庞大、难以集成，且磁场容易受温度影响。梳齿式加速度计采用梳齿电容实现位移传感与静电反馈力平衡控制(CN101839923A，CN102156201A)，具有响应速度快、膜层结构简单、功耗低等优点。但由于器件层较薄，振子质量小，梳齿加速度计的热噪声大，精度较差。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于变面积梳齿电容的MEMS相对重力仪探头及重力仪，其目的在于提升电容位移传感的灵敏度，并减小重力仪探头的机械热噪声。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于变面积梳齿电容的MEMS相对重力仪探头，包括弹簧结构、检验质量、动梳齿、定梳齿及外框，所述弹簧结构固定端设置在外框上，自由端与检验质量相连，所述动梳齿设置在检验质量的上下表面，所述定梳齿相应的设置在外框上；
其中，所述动梳齿和定梳齿均为异形梳齿结构，所述异形梳齿结构包括底部梳齿和顶部梳齿，且所述底部梳齿的宽度小于顶部梳齿的宽度；所述动梳齿的底部梳齿固定在所述检验质量上，所述定梳齿的底部梳齿固定在所述外框上；
工作时，所述弹簧结构用于将待测重力加速度变化转换为检验质量的位移变化，所述动梳齿的顶部梳齿与所述定梳齿的顶部梳齿构成变面积差分梳齿电容结构，用于将所述位移变化转换为差分电容信号。
进一步地，所述底部梳齿和顶部梳齿的中心轴重合。
进一步地，所述动梳齿与定梳齿之间的顶部梳齿正对间距d0、底部梳齿宽度w1及顶部梳齿宽度w2之间满足：
w2-w1＝2(n-1)d0
其中，
d1表示定梳齿和动梳齿交叉排列时时，定梳齿的顶部梳齿与动梳齿的底部梳齿之间的正对间距。
进一步地，所述底部梳齿的长度大于顶部梳齿的长度。
进一步地，所述弹簧结构、检验质量、动梳齿、定梳齿及外框的材料为SOI。
进一步地，所述动梳齿和定梳齿的厚度为50μm～2000μm。
进一步地，所述差分梳齿电容的输出ΔC、动梳齿与定梳齿之间的顶部梳齿正对间距d0及所述动梳齿和定梳齿的厚度h之间满足：
其中，ε为介电常数，Δx为检验质量的移动位移，N表示差分梳齿电容的阵列电容极板组数。
进一步地，还包括后端电路模块，所述后端电路模块包括电容传感单元、反馈控制单元以及静电反馈执行机；
所述电容传感单元用于检测所述差分电容信号，并将所述差分电容信号转换为模拟电压信号；
所述反馈控制单元用于根据所述模拟电压信号判断检验质量偏离平衡位置的量，通过反馈调节输出计算使所述检验质量回到平衡状态时所需的反馈电压；
所述静电反馈执行机用于接收所述反馈电压，并根据所述反馈电压与静电反馈力之间满足的关系，产生控制所述检验质量保持在平衡位置的静电反馈力。
进一步地，所述静电反馈力F与所述待测加速度变化Δg之间满足：
式中，m为检验质量的质量，Vf为反馈电压，Vb为外部电源提供的施加在所述定梳齿顶部梳齿上的直流反馈偏置电压，N表示差分梳齿电容的阵列电容极板组数，ε为介电常数，h为动梳齿和定梳齿的厚度，d0为动梳齿与定梳齿之间的顶部梳齿正对间距。
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于变面积梳齿电容的MEMS相对重力仪，包括探头，所述探头为第一方面任意一项所述的探头。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明的探头，通过将动梳齿和定梳齿设计为异形梳齿结构，该异形梳齿结构的底部梳齿宽度小于顶部梳齿宽度，在刻蚀时，定梳齿的底部梳齿正对动梳齿的顶部梳齿，定梳齿的顶部梳齿正对动梳齿的底部梳齿，和常规梳齿电容加速度计相比，动梳齿和定梳齿之间的正对间距更大，在相同的深宽比条件限制下，可以增大刻蚀的深度，使得本发明的器件能够采用SOI硅片的厚硅层，在该基础上，可以增大检验质量的质量，减小机械热噪声。
(2)本发明的探头，利用检验质量受重力作用的位移将动梳齿扣入定梳齿，检验质量上下两端的动梳齿与定梳齿的顶部梳齿正对面积相同，达到平衡状态。当外界有加速度信号输入时，待测加速度信号通过弹簧结构转换为位移信号，定梳齿和动梳齿的顶部梳齿形成变面积差分电容结构，相比最初的刻蚀状态，减小了梳齿间隙，增大了位移传感灵敏度，克服了反应离子深刻蚀有限深宽比对厚器件层梳齿间距的限制，能够实现高灵敏度力平衡式重力加速度传感。
(3)进一步地，在本发明设计的异形梳齿的基础上，还通过匹配至少包含有电容传感、反馈控制以及静电反馈执行机三个部分的后端电路模块实现了待测加速度变化与静电反馈力之间的闭环控制；相比于开环控制，能够提升重力仪的响应速度及抗干扰能力，相比于电磁闭环反馈控制，该结构不需要在硅基材料和玻璃上盖上分别制作电容动极板和定极板，简化了加工工艺，减小了器件的体积。
附图说明
图1为本发明的基于变面积梳齿电容的MEMS相对重力仪探头结构示意图。
图2为本发明的异形梳齿结构的示意图。
图3是本发明的变面积梳齿电容在无重力作用下(加工状态)的示意图。
图4是本发明的变面积梳齿电容在重力作用下达到平衡状态的示意图。
图5为本发明的重力仪探头的闭环控制过程示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1-弹簧结构，2-检验质量，3-动梳齿，4-上定梳齿，5-下定梳齿，6-外框，7-顶部梳齿，8-底部梳齿。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
如图1-2所示，本发明的基于变面积梳齿电容的MEMS相对重力仪探头，主要包括：弹簧结构1、检验质量2、动梳齿3、定梳齿及外框6，弹簧结构1的固定端设置在外框6上，自由端与检验质量2相连，动梳齿3设置在检验质量2的上、下表面，定梳齿包括上定梳齿4和下定梳齿5相应的分别设置在外框6上，通过检验质量2上、下表面的动梳齿3分别与相应的上定梳齿4和下定梳齿5构成差分梳齿电容。其中，动梳齿和定梳齿均为异形梳齿结构，该异形梳齿结构包括一体化的底部梳齿8和顶部梳齿7，底部梳齿和顶部梳齿的中心轴重合，底部梳齿的宽度小于顶部梳齿的宽度，且底部梳齿固定在检验质量或外框上，即动梳齿的底部梳齿固定在检验质量，定梳齿的底部梳齿固定在外框上，工作时，检验质量上下两端的动梳齿的顶部梳齿与外框的定梳齿的顶部梳齿构成变面积差分梳齿电容结构。
作为优选，底部梳齿的长度大于顶部梳齿的长度，在加工该梳齿电容时，便于实现被刻蚀区域等宽，刻蚀速率一致，刻蚀出的每根梳齿的形貌统一，能够提升电容极板检测精度。需要说明的是，本发明中的宽度是指沿x轴方向的尺寸，长度是指沿y轴方向的尺寸。
检验质量、动梳齿和弹簧结构通过DRIE(深反应离子刻蚀)加工悬浮，相对于外框架部分，该部分能够发生位移振动。
检验质量用于实现待测加速度信号的检测，将待测加速度转换为检验质量的位移变化量，通过差分梳齿电容将位移变化量转换为电容量，再通过匹配的电路，将检测到的电容变化转换为电压信号输出，经过数据处理后最终得到对应的加速度。
本发明的梳齿电容在加工时，定梳齿和动梳齿交叉排列，即定梳齿和动梳齿完全扣在一起，定梳齿的底部梳齿正对动梳齿的顶部梳齿，定梳齿的顶部梳齿正对动梳齿的底部梳齿，此时，定梳齿和动梳齿的梳齿间正对间距一致，记为d1，动梳齿和定梳齿中的底部梳齿宽度为w1，顶部梳齿宽度为w2，w1<w2，如图3所示，由于底部梳齿宽度小于顶部梳齿宽度，在刻蚀时，定梳齿和动梳齿交叉排列，相比现有的定梳齿和动梳齿均为等宽梳齿结构的电容，设计加工版图时本发明的梳齿间正对间距可以更大，有利于减小待刻蚀区域深宽比的限制并缓解释放粘连等工艺问题。
如图4所示，由于检验质量重力的作用，动梳齿下移，本发明的探头在平衡时，检验质量上下两端的动梳齿与定梳齿的顶部梳齿正对面积相同构成差分变面积电容结构，记动梳齿与定梳齿之间的顶部梳齿部分的正对间距为d0，则此时动梳齿与定梳齿之间的正对间距相比最初的极板间距d1减小，使差分梳齿电容结构的灵敏度提高，增大了整个***的前端增益。
要达到梳齿间距缩小n倍的效果，即d1＝nd0，则底部梳齿和顶部梳齿宽度之间的关系满足：
w2-w1＝2(n-1)d0
本发明的探头在工作时，当外界有加速度信号输入时，待测加速度信号通过弹簧结构转换为位移信号，然后通过梳齿电容极板将位移信号转换为电容信号，上下对称布置的梳齿，形成差分式电容结构。通过差分可以消除掉绝大部分的干扰噪声，提高信噪比。N组变面积梳齿电容极板组成的阵列电容极板，其差分电容输出与位移的关系式为：
式中ε为电容介质的介电常数。由该式可知，差分电容大小与梳齿电容极板的对数N、检验质量的移动位移Δx和梳齿厚度h成正比，与动梳齿和定梳齿的顶部梳齿正对时的间距d0成反比。
因此，相比现有技术中的等宽梳齿结构电容，本发明的这种梳齿电容在工作时的梳齿间距更小，能够提升位移传感灵敏度，降低机械热噪声。本发明的这种“异形”扣入式梳齿电容设计，使得探头在工作时，动梳齿下移，与上定梳齿和下定梳齿形成差分电容结构，通过差分可以消除掉绝大部分的干扰噪声，提高信噪比。
本实施例中，弹簧结构包括四组弹簧，分别两两对称的设置在外框的两侧，在检验质量自身重力的作用下，每组弹簧发生形变产生一个合力，与检验质量的重力相互抵消，实现准零刚度。
本实施例中，整个器件的材料优选为SOI，器件的厚度，也即梳齿厚度h为50μm～2000μm的SOI硅片。由于本发明的梳齿电容在刻蚀时，梳齿间正对间距更大，和常规梳齿电容加速度计相比，在相同的深宽比刻蚀限制下，本发明具有更宽的刻蚀宽度，因而可以增大刻蚀的深度，使得本发明的器件能够采用SOI硅片的厚硅层，在该基础上，可以增大检验质量的质量，显著减小机械热噪声。
同时，对于变面积梳齿电容设计，可以增大梳齿电容正对面积，提升电容位移传感灵敏度。
与磁反馈控制方式相比，本发明的MEMS重力传感芯片膜层结构简单，直接在硅上刻蚀梳齿，发热更小，有利于提高长期稳定性。此外，也避免了磁反馈控制中由于永磁体引入的温度效应、磁效应等环境扰动问题。
本发明的器件能够采用SOI硅片的厚硅层设计，增大检验质量的质量，进而降低机械热噪声；采用异形梳齿设计构建差分位移传感器，利用检验质量受重力作用的位移将动梳齿扣入定梳齿，减小梳齿间隙以增大位移传感灵敏度，克服了反应离子深刻蚀有限深宽比对厚器件层梳齿间距的限制，最终实现高灵敏度力平衡式重力加速度传感。
在上述设计的异形梳齿的基础上，本发明的探头还通过匹配至少包含有电容传感单元、反馈控制单元以及静电反馈执行机三个部分的后端电路模块，用以实现整个探头的静电闭环控制。定梳齿采用上下分布，将同一极性的定齿连接起来，当重力仪在闭环工作时，分别在上定梳齿的顶部梳齿和下定梳齿的顶部梳齿上施加相反的反馈电压Vf，产生静电反馈力F平衡待测加速度带来的惯性力，上定梳齿的顶部梳齿和下定梳齿的顶部梳齿既为检测部分又可做反馈。
具体地，如图5所示，工作时，弹簧结构感知待测重力加速度变化，并将其转换为弹簧结构的位移变化Δx，带动检验质量在框架之间运动，动梳齿的顶部梳齿与定梳齿的顶部梳齿构成的变面积差分梳齿电容结构将该位移变化转换为差分电容信号，该差分电容信号与检测弹簧结构、检验质量和梳齿提供的与残差加速度信号相关，其中，残差加速度信号为外界输入加速度信号在敏感轴方向的大小；
电容传感单元检测该差分电容信号，并将该差分电容信号转换为模拟电压信号；
反馈控制单元根据模拟电压信号判断检验质量偏离平衡位置的量，通过反馈调节输出计算使检验质量回到平衡状态时所需的反馈电压Vf；其中，本实施例中，反馈调节控制采用PID控制算法。
静电反馈执行机接收反馈电压后，根据反馈电压与静电反馈力F与之间满足的关系，产生相应的静电反馈力来控制检验质量保持在平衡位置，实现了待测加速度变化与静电反馈力之间的闭环控制。
其中，反馈电压与静电反馈力F与之间满足的关系为：
式中，Vf为施加在定梳齿的顶部梳齿上的反馈电压，Vp为施加在定梳齿的顶部梳齿上的高频载波信号幅值，Vb为外部电源提供的施加在定梳齿顶部梳齿上的直流反馈偏置电压。
由于载波频率远高于弹簧振子响应频率，Vp产生的静电反馈力影响可以忽略。则静电反馈力F为：
式中，m为检验质量的质量，Δg为待测重力加速度变化，N表示差分梳齿电容的阵列电容极板组数，ε为介电常数，h为动梳齿和定梳齿的厚度，d0为动梳齿与定梳齿之间的顶部梳齿正对间距。
本发明的这种利用静电闭环反馈将敏感单元控制在平衡位置处，相比于开环控制，能够提升重力仪的响应速度及抗干扰能力；与电磁闭环反馈相比，该结构不需要在硅基材料和玻璃上盖上分别制作电容动极板和定极板，简化了加工工艺，减小了器件的体积。
本发明还提供了一种基于变面积梳齿电容的MEMS相对重力仪，包括探头，该探头为上述所述的探头。
本领域的技术人员容易理解，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)
1.一种基于变面积梳齿电容的MEMS相对重力仪探头，其特征在于，包括弹簧结构(1)、检验质量(2)、动梳齿(3)、定梳齿及外框(6)，所述弹簧结构(1)固定端设置在外框(6)上，自由端与检验质量(2)相连，所述动梳齿(3)设置在检验质量(2)的上下表面，所述定梳齿相应的设置在外框(6)上；
其中，所述动梳齿和定梳齿均为异形梳齿结构，所述异形梳齿结构包括底部梳齿(8)和顶部梳齿(7)，且所述底部梳齿(8)的宽度小于顶部梳齿(7)的宽度；所述动梳齿的底部梳齿固定在所述检验质量上，所述定梳齿的底部梳齿固定在所述外框上；
工作时，所述弹簧结构用于将待测重力加速度变化转换为检验质量的位移变化，所述动梳齿的顶部梳齿与所述定梳齿的顶部梳齿构成变面积差分梳齿电容结构，用于将所述位移变化转换为差分电容信号。
2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述底部梳齿(8)和顶部梳齿(7)的中心轴重合。
3.根据权利要求2所述的探头，其特征在于，所述动梳齿与定梳齿之间的顶部梳齿正对间距d0、底部梳齿宽度w1及顶部梳齿宽度w2之间满足：
w2-w1＝2(n-1)d0
其中，
d1表示定梳齿和动梳齿交叉排列时，定梳齿的顶部梳齿与动梳齿的底部梳齿之间的正对间距。
4.根据权利要求2所述的探头，其特征在于，所述底部梳齿的长度大于顶部梳齿的长度。
5.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述弹簧结构、检验质量、动梳齿、定梳齿及外框的材料为SOI。
6.根据权利要求5所述的探头，其特征在于，所述动梳齿和定梳齿的厚度为50μm～2000μm。
7.根据权利要求6所述的探头，其特征在于，所述差分梳齿电容的输出ΔC、动梳齿与定梳齿之间的顶部梳齿正对间距d0及所述动梳齿和定梳齿的厚度h之间满足：
其中，ε为介电常数，Δx为检验质量的移动位移，N表示差分梳齿电容的阵列电容极板组数。
8.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，还包括后端电路模块，所述后端电路模块包括电容传感单元、反馈控制单元以及静电反馈执行机；
所述电容传感单元用于检测所述差分电容信号，并将所述差分电容信号转换为模拟电压信号；
所述反馈控制单元用于根据所述模拟电压信号判断检验质量偏离平衡位置的量，通过反馈调节输出计算使所述检验质量回到平衡状态时所需的反馈电压；
所述静电反馈执行机用于接收所述反馈电压，并根据所述反馈电压与静电反馈力之间满足的关系，产生控制所述检验质量保持在平衡位置的静电反馈力。
9.根据权利要求8所述的探头，其特征在于，所述静电反馈力F与所述待测加速度变化Δg之间满足：
式中，m为检验质量的质量，Vf为反馈电压，Vb为外部电源提供的施加在所述定梳齿顶部梳齿上的直流反馈偏置电压，N表示差分梳齿电容的阵列电容极板组数，ε为介电常数，h为动梳齿和定梳齿的厚度，d0为动梳齿与定梳齿之间的顶部梳齿正对间距。
10.一种基于变面积梳齿电容的MEMS相对重力仪，包括探头，其特征在于，所述探头为权利要求1-9任意一项所述的探头。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210603702.3A CN115061213A (zh) | 2022-05-30 | 2022-05-30 | 一种基于变面积梳齿电容的mems相对重力仪探头及重力仪 |
| US18/253,527 US11906693B2 (en) | 2022-05-30 | 2022-08-29 | Variable-area comb capacitor-based MEMS relative gravimeter probe and gravimeter |
| PCT/CN2022/115363 WO2023231200A1 (zh) | 2022-05-30 | 2022-08-29 | 一种基于变面积梳齿电容的mems相对重力仪探头及重力仪 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210603702.3A CN115061213A (zh) | 2022-05-30 | 2022-05-30 | 一种基于变面积梳齿电容的mems相对重力仪探头及重力仪 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115061213A true CN115061213A (zh) | 2022-09-16 |
Family
ID=83197610
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210603702.3A Pending CN115061213A (zh) | 2022-05-30 | 2022-05-30 | 一种基于变面积梳齿电容的mems相对重力仪探头及重力仪 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115061213A (zh) |
| WO (1) | WO2023231200A1 (zh) |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3960502B2 (ja) * | 1999-03-16 | 2007-08-15 | 学校法人立命館 | 静電容量型センサ |
| US8171793B2 (en) * | 2008-07-31 | 2012-05-08 | Honeywell International Inc. | Systems and methods for detecting out-of-plane linear acceleration with a closed loop linear drive accelerometer |
| CN102798734B (zh) * | 2011-05-24 | 2016-01-06 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | Mems三轴加速度计及其制造方法 |
| CN207832823U (zh) * | 2018-01-26 | 2018-09-07 | 成都信息工程大学 | 一种大质量块梳齿电容式三轴加速度传感器 |
| CN109142783A (zh) * | 2018-07-24 | 2019-01-04 | 杭州电子科技大学 | 一种新型梳齿电极板微加速度计及其制作方法 |
| CN110806498B (zh) * | 2019-10-18 | 2022-01-07 | 中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所 | 一种梳齿电容式微机电加速度计结构 |
| CN111551761B (zh) * | 2020-04-03 | 2021-11-30 | 四川知微传感技术有限公司 | 一种低噪声mems加速度计 |
| CN111381073B (zh) * | 2020-05-01 | 2021-11-30 | 深迪半导体(绍兴)有限公司 | Mems加速度计及其提高抗冲击能力的方法 |
| CN113702665B (zh) * | 2021-10-27 | 2022-02-11 | 杭州麦新敏微科技有限责任公司 | 一种mems加速度计及其形成方法 |
| CN114422923B (zh) * | 2022-03-29 | 2022-12-02 | 之江实验室 | 谐振式mems麦克风、声学成像仪和光声光谱检测仪 |
-
2022
- 2022-05-30 CN CN202210603702.3A patent/CN115061213A/zh active Pending
- 2022-08-29 WO PCT/CN2022/115363 patent/WO2023231200A1/zh unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023231200A1 (zh) | 2023-12-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6350983B1 (en) | Micro-electro-opto-mechanical inertial sensor | |
| CN102759635B (zh) | 一种集成光栅压电调制的微光学加速度传感器及其检测方法 | |
| US6776042B2 (en) | Micro-machined accelerometer | |
| Kunz et al. | Highly sensitive triaxial silicon accelerometer with integrated PZT thin film detectors | |
| CN103175991A (zh) | 集成光栅压电调制闭环高精度微加速度传感器 | |
| CN106526235B (zh) | 一种低g值电容式MEMS加速度计及其模态局域化测量电路 | |
| CN104654997A (zh) | 一种多自由度差分电容位移传感器标定装置 | |
| CN204404991U (zh) | 一种多自由度差分电容位移传感器标定装置 | |
| CN110133322A (zh) | 基于电光效应的单片集成光学加速度计 | |
| CN113484538A (zh) | 一种基于抗磁悬浮力学***的加速度测量方法 | |
| Qu et al. | A high-sensitivity optical MEMS accelerometer based on SOI double-side micromachining | |
| Wang et al. | A universal high-sensitivity area-variation capacitive displacement transducer (CDT) based on fringe effect | |
| CN113514666B (zh) | 一种基于pt对称谐振器的微机械加速度计及其检测方法 | |
| Qu et al. | A nano-g MOEMS accelerometer featuring electromagnetic force balance with 157-dB dynamic range | |
| Gomathi et al. | Capacitive accelerometers for microelectromechanical applications: A review | |
| CN115061213A (zh) | 一种基于变面积梳齿电容的mems相对重力仪探头及重力仪 | |
| US6029517A (en) | Miniaturized accelerometer of the type using spring compensation of the effect of gravity and its production process | |
| CN111289772A (zh) | 低深宽比的单质量块三轴mems惯性加速度计及其制备方法 | |
| US11906693B2 (en) | Variable-area comb capacitor-based MEMS relative gravimeter probe and gravimeter | |
| Li et al. | Open–loop operating mode of micromachined capacitive accelerometer | |
| CN113552386B (zh) | 一种静电调谐分离式微机电加速度计及其闭环控制方法 | |
| He et al. | Drift of mems closed-loop accelerometers induced by dielectric charging | |
| CN114034884A (zh) | 一种多差分电容式加速度传感器 | |
| CN114167082A (zh) | 一种单晶硅挠性加速度计 | |
| Ha et al. | A capacitive silicon microaccelerometer with force-balancing electrodes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |