CN100335906C - 一种扭摆式硅mems角加速度传感器 - Google Patents

Abstract

扭摆式硅MEMS角加速度传感器由敏感元件、电容式变换器、反馈静电力矩器、信号处理电路以及壳体组成，壳体包括真空封装和基座，敏感元件包括两个固连在基座上的锚点、一个活动极板、两个两端分别固连在锚点和活动极板上的挠性支撑梁和两个对称分布在活动极板上表面的质量块，挠性支撑梁位于活动极板的中心线上，在活动极板下面的基座上，埋置两对对称分布的固定极板，一对为电容式变换器的敏感电极，一对为反馈静电力矩器的施力电极，通过导线分别与电容式变换电路和反馈静电力矩器连接，敏感元件敏感角加速度产生绕着挠性梁轴向的角位移，以此检测角加速度。本发明体积小，成本低，可应用于惯性稳定控制系统，角振动测试系统以及惯性导航系统。

Description

一种扭摆式硅MEMS角加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种扭摆式硅MEMS角加速度传感器，可以应用于惯性稳定控制系统，角振动测试系统，并可以应用于工作时间短、成本低、动态范围大的战术武器的惯性导航系统。

背景技术

在很多运动物体的控制、监测和导航中，不仅需要角位移、角速度信息，更需要角加速度信息。20世纪40年代德国曾采用了角加速度传感器用于V-2导弹制导系统，随着控制技术的发展，能直接输出运动物体相对于惯性空间角加速度信息的YC类角加速度传感器应用越来越广泛，如今坦克、舰船、火炮、导弹、运载火箭、卫星以及航天飞机等运动物体的控制系统中，均使用了角加速度传感器。YC类角加速度传感器也广泛应用于测试方面，例如飞机的机动性能测试、交通工具的启动及刹车性能的测试和精密机械设备工作的平稳性测试等。随着科学技术的发展，精度的进一步提高，角加速度传感器也可以应用于工作时间短、成本低、动态范围大的战术武器的惯性导航系统。美国、俄罗斯等发达国家十分重视角加速度传感器的研究工作，先后研发了多种机械式及光学角加速度传感器。

机械式角加速度传感器发展较早，种类较多，其中机械陀螺式角加速度传感器是由在单自由度陀螺仪附近加一个直流小型测速发电机组成，该传感器精度较高。法国巴涅机械制造厂生产的惯性角加速度传感器采用被支撑的具有较大转动惯量的惯性轮作为敏感元件，采用了电感式变换器。美国及北京航空航天大学均研制成功的弹性环式角加速度传感器采用由八块全等的长方形钢板组成的等边八方形环体作为敏感元件，采用应变片作为变换器。机械式角加速度传感器还包括抗振动型角加速度传感器、涡流感应角加速度传感器、角加速度压电陀螺、液环式角加速度传感器等多种类型。随着光学技术的发展，采用马赫-曾特尔干涉仪或迈克尔逊干涉仪原理研制了光纤角加速度传感器，在激光陀螺的基础上，利用干涉条纹移动的速度正比于传感器所感受的角加速度信号原理，设计了激光角加速度传感器，光纤和激光角加速度传感器由于工作过程中没有可动机械结构，提高了其稳定性、可靠性和精度。现有的所有机械式和光学角加速度传感器都是采用传统的加工工艺制造，体积和质量比较大，由于需要手工制备和装配，所以成本都较高。

从20世纪80年代末开始，随着微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)技术的发展，各种传感器实现了微小型化，以MEMS技术为基础的MEMS角加速度传感器由于采用MEMS加工工艺，实现了批量生产，以硅作为传感器的基本材料，所以MEMS角加速度传感器成本低、体积小、功耗低，克服了现有角加速度传感器质量大，成本高等不足，已成为其未来发展主要方向。1992年日本Keio大学研究了一种悬臂梁结构的压阻式硅MEMS角加速度传感器，采用带有压阻式变换器的四个悬臂梁结构，通过检测电阻值的变化解算外部角加速度，2003年日本Yamagata大学提出一种环形结构角加速度传感器，采用压电检测方式解算外部角加速度。以上两种角加速度传感器结构复杂、不易加工，并都没有采用力平衡回路，动态范围低，检测误差大。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种成本低、体积小、功耗低的扭摆式硅MEMS角加速度传感器。

本发明的技术解决方案为：扭摆式硅MEMS角加速度传感器由敏感元件、电容式变换器、反馈静电力矩器、信号处理电路以及壳体组成，壳体包括真空封装外壳和基座，敏感元件包括两个固连在基座上的锚点、一个活动极板、两个两端分别固连在锚点和活动极板上的挠性支撑梁和两个对称分布在活动极板上表面的质量块，挠性支撑梁位于活动极板的中心线上，在活动极板下面的基座上，埋置两对对称分布的固定极板，一对为电容式变换器的敏感电极，一对为反馈静电力矩器的施力电极，通过导线分别与电容式变换电路和反馈静电力矩器连接，敏感元件敏感角加速度产生绕着挠性粱轴向的角位移，以此检测角加速度。

本发明的原理如图2所示，当壳体有角加速度输入时，敏感元件敏感壳体角加速度产生惯性扭转力矩，从而引起活动极板绕敏感轴向产生角位移，电容式变换器通过电容检测方式检测该角位移量，并将其转换为与角加速度成正比的电信号，该电信号经过处理电路的滤波、功放等处理后输出，当有电信号输出时，反馈静电力矩器检测该输出信号，产生一个和惯性扭转力矩相反的静电力矩，使活动极板角位移回复到零位状态，实现系统闭环回路，通过检测输出信号计算壳体角加速度。

本发明具体控制原理如图3所示，当壳体有角加速度输入时，绕挠性梁轴向具有较大扭转惯量J的质量块敏感壳体角加速度

产生扭转惯性力矩M_I，具有较小抗扭刚度k_t的挠性支撑梁在该扭转惯性力矩的作用下发生扭转弹性变形，从而使活动极板产生绕挠性支撑梁轴向角位移Δθ：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{M_I}{{\mathrm{JS}}^2+\mathrm{DS}+k_t}=\frac{J\·\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}}{{\mathrm{JS}}^2+\mathrm{DS}+k_t}---\left(1\right)$

式中，D代表系统的阻尼系数，当活动极板发生角位移时，埋置在基座两侧上的两个敏感电容极板的电容值发生变化，电容分别为：

$C_1=\mathrm{\ϵ}\∫\frac{\mathrm{dA}}{z_0+\mathrm{\Δz}}=\mathrm{\ϵ}\∫\frac{\mathrm{dA}}{z_0+x\·\mathrm{\Δ\θ}}---\left(2\right)$

$C_2=\mathrm{\ϵ}\∫\frac{\mathrm{dA}}{z_0-\mathrm{\Δz}}=\mathrm{\ϵ}\∫\frac{\mathrm{dA}}{z_0-x\·\mathrm{\Δ\θ}}---\left(3\right)$

式中，C₁和C₂分别代表两个电容极板的电容量；ε代表介电常数；dA表表所取极板微元面积；z₀代表活动极板与敏感电容极板间初始距离；Δz代表活动极板和敏感电容极板间隙变化量，可以用公式Δz＝xΔθ求取；x代表敏感电容极板到挠性支撑梁间距离，两电容量经过变换电路的差分得：

$\mathrm{\ΔC}=C_2-C_1=\mathrm{\ϵ}(\∫\frac{\mathrm{dA}}{z_0-x\·\mathrm{\Δ\θ}}-\∫\frac{\mathrm{dA}}{z_0-x\·\mathrm{\Δ\θ}})=k_s\·\mathrm{\Δ\θ}---\left(4\right)$

式中，k_s代表变换器比例系数。

根据静电场理论，两平行电容极板静电吸引力公式为：

$F=\frac{1}{2}\mathrm{\ϵA}{\left(\frac{u}{z}\right)}^2---\left(5\right)$

式中，A代表电容极板面积；z代表极板间距，施加在扭摆式硅MEMS角加速度传感器施力电容极板上的电压u由两部分组成：一是偏置电压U₀，它为定值，另一是控制电压u_out。当有角加速度输入时，两电极板上的电压发生变化，有u₁＝U₀+u_out和u₁＝U₀-u_out，两个施力电容极板静电吸引力矩大小分别为M₁和M₂，产生的静电合力矩为M_e：

M_e＝M₁-M₂＝∫x_edF₁-∫x_edF₂＝k_Fu_out           (6)

式中，dF_i代表施力电容极板吸引力微分；x_e代表施力电容极板到挠性支撑梁间的距离，k_F代表反馈回路传递系数，硅MEMS角加速度传感器输入输出关系可表示为：

$u_{\mathrm{out}}=\frac{J\·\frac{k_s{k}_V}{{\mathrm{JS}}^2+\mathrm{DS}+k_t}}{1+\frac{k_s{k}_V{k}_F}{{\mathrm{JS}}^2+\mathrm{DS}+k_t}}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}---\left(7\right)$

当k_V足够大时，该角加速度硅MEMS传感器灵敏度可表示为：

$S=\frac{u_{\mathrm{out}}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}}=\frac{J\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}\·k_s{k}_V}{k_t+\frac{\mathrm{\ϵ}{U}_0{A}_e(2s_e+b_e)}{z_0^2}{k}_s{k}_V}\≈\frac{J}{k_F}---\left(8\right)$

本发明与现有技术相比的优点在于：扭摆式硅MEMS角加速度传感器结构简单，易于加工，扭转惯量大，灵敏度比较高，电容式变换器提高了检测精度，力平衡反馈回路提高了传感器的稳定性及动态范围，该传感器并具有体积小，成本低，抗冲击和可靠性能高等优点。

附图说明

图1为本发明扭摆式硅MEMS角加速度传感器整体结构图；

图2为本发明扭摆式硅MEMS角加速度传感器系统原理框图；

图3为本发明扭摆式硅MEMS角加速度传感器系统控制框图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明由敏感元件8、电容式变换器9、反馈静电力矩器10、信号处理电路11以及壳体12组成，其中壳体12包括真空封装外壳和基座1，敏感元件8包括两个锚点2、两个挠性支撑梁4、一个活动极板3和两个质量块5。电容式变换器9包括两个敏感电极6和变换电路，反馈静电力矩器10包括两个静电施力电极7和反馈电路，信号检测与处理电路11包括放大、滤波、校正、功放电路。

敏感元件8中的活动极板3是一个沿挠性支撑梁4两侧对称的长方形硅板，为了减小系统阻尼，在硅板上光刻有若干个方孔。质量块5是对称分布在活动极板3两侧上方，具有较大扭转惯量的长方体金属块，或硅质量块，其扭转惯量大于1×10^-12kg·m²，大扭转惯量可以提高传感器的分辨率。锚点2为固连在基座上的两个刚性支撑点，挠性支撑梁4是长薄片梁，具有很小的抗扭刚度和较大抗弯刚度，其长度大于100μm，厚度小于10μm，抗扭刚度小于1×10^-6N·m/rad，抗弯刚度大于1×10^-11Pa·m⁴，可以提高传感器的灵敏度，减小干扰误差。挠性支撑梁4一端与活动极板3固连，另一端与锚点2固连，并且挠性支撑梁4位于活动极板3的中心线上，从而构成了扭摆式硅MEMS角加速度传感器的敏感元件8。在活动极板3下面的基座1上，埋置两对对称分布的固定极板，一对为电容式变换器9的敏感电极6，一对为反馈静电力矩器10的施力电极7，通过导线分别与电容式变换器9和反馈静电力矩器10连接，构成扭摆式硅MEMS角加速度传感器的电容式变换器9和反馈静电力矩器10，电容式变换器9的敏感电极6和反馈静电力矩器10的施力电极7为长方形金属极板。敏感元件8敏感角加速度产生绕着挠性支撑梁4轴向的角位移，电容式变换器9将角位移转换为电信号，该电信号经过信号处理电路11的滤波、功放等处理后输出，当有电信号输出时，反馈静电力矩器10检测该输出信号，产生一个和惯性扭转力矩相反的静电力矩，使活动极板3角位移回复到零位状态，实现系统闭环回路，通过检测输出信号计算壳体角加速度。

本发明角加速度传感器克服了现有角加速度传感器的不足，具有稳定性高，动态范围大体积小，成本低，精度高等优点，可应用于惯性稳定控制系统，角振动测试系统，以及工作时间短的惯性导航系统。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1、扭摆式硅MEMS角加速度传感器，其特征在于：由敏感元件(8)、电容式变换器(9)、反馈静电力矩器(10)、信号处理电路(11)以及壳体(12)组成，壳体(12)包括真空封装外壳和基座(1)，敏感元件(8)包括两个固连在基座(1)上的锚点(2)、一个活动极板(3)、两个两端分别固连在锚点(2)和活动极板(3)上的挠性支撑梁(4)和两个对称分布在活动极板(3)上表面的质量块(5)，挠性支撑梁(4)位于活动极板(3)的中心线上，在活动极板(3)下面的基座上，埋置两对对称分布的固定极板，一对为电容式变换器(9)的敏感电极(6)，一对为反馈静电力矩器(10)的施力电极(7)，通过导线分别与电容式变换器(9)和反馈静电力矩器(10)连接，敏感元件(8)敏感角加速度产生绕着挠性支撑梁(4)轴向角位移，以此检测角加速度。

2、根据权利要求1所述的扭摆式硅MEMS角加速度传感器，其特征在于：所述的活动极板(3)是一个沿挠性支撑梁(4)两侧对称的长方形硅板，硅板上光刻有若干个方孔。

3、根据权利要求1所述的扭摆式硅MEMS角加速度传感器，其特征在于：所述挠性支撑梁(4)是两个长薄片硅梁。

4、根据权利要求1所述的扭摆式硅MEMS角加速度传感器，其特征在于：所述的质量块(5)是两个对称分布在活动极板(3)上方的长方体金属块或硅质量块。

5、根据权利要求1所述的扭摆式硅MEMS角加速度传感器，其特征在于：所述电容式变换器(9)的敏感电极(6)和反馈静电力矩器(10)的施力电极(7)为长方形金属极板。

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