CN101089624A - 电调谐谐振式差频加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明为电调谐谐振式差频加速度计，主要包含了由半导体衬底、外部柔性杆、外部框架、两级柔性杆、两级内部框架等构成的三级独立的自振荡装置；差频电调谐谐振式加速度计，当带有电调谐电压的外部框架受到向上的加速度后，电调谐梳齿对对应的面积增大，引起电调谐系数的增加，从而导致内部一级内部框架的输出频率减小；同理，二级内部框架的输出频率增大；因此，整个结构的输出频率发生变化。当外部框架受到向下的加速度后，情况相反。调频信号只与频率有关，与信号的幅值无关，具有较强的抗干扰能力，检测灵敏度高和精度高，输出数字信号可直接与数字处理器相连接。

Description

电调谐谐振式差频加速度计

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及硅微机械梳齿式电调谐谐振式差频加速度计。

背景技术

在机械、物理及仪表的检测和自动化控制中加速度计是一种常用的传感器。当前，随着微电子技术和微机械加工技术的快速发展，微机械加速度计已经于1993年形成产品及应用。最初的加速度计为力平衡式。采用在硅片表面微机械加工工艺制成，敏感轴与基片平行，检测质量块为“H”形。检测质量可以自由地沿垂直于梁的方向运动。采用梳齿结构，每个梳齿为可变电容的一个活动电极或固定电极，固定电极与活动电极交错配置。检测电路为电桥方案，在检测电容的固定电极上施加频率为1HZ的载波信号，加速度计的输出电压与检测电容的值成正比。该输出信号经缓冲放大，同步解调，反馈给力矩器的电容极板，产生静电力，使得检测质量回到零位。加速度计的整个电路与微结构集成在一片硅基片上，用一个5V电源供电，传感器输出电压模拟量。

1998年美国AD公司推出了双轴加速度计产品系列，量程从士2g到士100g。如ADxL202型加速度计，带宽可以通过外电容调整。采用脉冲调制占容比输出，数字输出信号直接可以进入计算机处理，或通过滤波可以转换模拟量。

现在梳齿微机械结构是加速度计的一种典型结构，如美国专利US005969249A公开了一种具有柔性杆(弹簧)系统的谐振加速度计。它是一种由一个质量块、连接支撑质量块的柔性杆系统(弹簧)、两个柔性杆的固定点、及两个梳齿结构的谐振装置等组成的加速度计。上部(第1)谐振装置自振荡，柔性杆系统增大在加速度力作用到质量块上引起的向上的拉力，下部(第2)谐振装置自振荡，柔性杆系统增大在加速度力作用到质量块上引起的向下的压力。这种加速度计是用硅基片由微机械加工制作而成的。加速度计中的谐振装置采用梳齿结构，每个梳齿为可变电容的一个活动电极或固定电极，固定电极与活动电极交错配置并形成一对驱动电极。

发明内容

本发明的目的在于使用与以上背景技术完全不同的工作原理，经过对电调谐原理、梳齿结构、柔性杆和框架，及相互连接等结构的研究，提供一种具有结构紧凑，检测灵敏度和精度更高，输出数字信号可直接与数字处理器相连接，的电调谐谐振式差频加速度计。

本发明就实现上述目的所采取的技术方案：

电调谐谐振式差频加速度计，包括半导体衬底、外部柔性杆、带梳齿结构的外部框架，其特征在于：在外部框架内有两级柔性杆、两级柔性杆支撑两级带梳齿结构的内部框架，并由外部柔性杆、外部框架结构、两级柔性杆与两级内部框架构成为三级独立的自振荡装置；两级内部框架的振荡频率不同，分别为f1和f2，在带有电调谐电压Vt的外部框架受到一个向上或向下，即沿坐标Y轴方向的加速度作用时，电调谐梳齿间面积和间距发生变化，使得电调谐系数发生变化，从而使得一级内部框架振动频率f1减小或增大；同理，二级内部框架振动频率f2增加或减小，输出频率Δf＝f1-f2发生变化，使加速度的变化对应到输出频率的变化，这样检测输出频率就检测到了作用的加速度大小与方向。

所述的外部柔性杆、外部框架结构、两级柔性杆与两级内部框架为：

a.四个一端与半导体衬底固定点连接的一级柔性杆、四个一端与半导体衬底固定点连接的二级柔性杆，另有四个一端与半导体衬底固定点连接的外部柔性杆；

b.柔性杆另一端连接的一级内部框架，与柔性杆另一端连接的二级内部框架，以及与外部柔性杆另一端连接的外部框架；

c.由一级柔性杆支撑一级内部框架，二级柔性杆支撑二级内部框架，一、二级内部框架平行悬浮于半导体衬底上；外部柔性杆支撑外部框架并悬浮于半导体衬底上；

d.在外部框架内上下排列有垂直梳齿，在一、二级内部框架上下同样排列有垂直梳齿，外部框架与一、二级内部框架的梳齿构成电调谐梳齿对；

e.在一二级内部框架两侧有水平梳齿的驱动电极，驱动电极用来驱动一二级框架；在一二级内部框架内部有水平梳齿的检测电极，检测电极用来检测并输出信号。

f.在一二级内部框架的两侧对称排列有驱动水平梳齿，其内排列有作为检测梳齿及输出频率信号的检测水平梳齿；

g.一级内部框架两侧的一级驱动梳齿和二级内部框架两侧的二级驱动梳齿，两级驱动水平梳齿分别用来驱动两级内部框架，并通过一二级内部框架内的检测水平梳齿分别检测频率信号。

即在外部框架没有受到垂直方向(沿坐标Y轴方向)加速度时，一级、二级内部框架会以不同的频率在水平方向(沿坐标X轴方向)作简谐运动，此时系统将输出频率差；当外部框架受到垂直方向(沿坐标Y轴方向)向上的加速度后，结构上下排列的垂直梳齿间对应的面积增加，梳齿间的间距将会发生变化，产生电调谐作用，从而使得一级内部框架的振动频率减小；同理，二级内部框架的振动频率降低；因此，两级内部框架的振动频率变化使得整个结构输出频率发生变化；反之，当受到垂直方向(沿坐标Y轴反方向)向下的加速度后，情况相反。

本发明电调谐谐振式差频加速度计与背景技术相比较，虽然也是利用受到不同加速度后其振动频率发生改变，但是，基本工作原理完全不同。差频电调谐谐振式加速度计，当带有电调谐电压的外部框架受到向上的加速度后，引起电调谐系数的增加，导致一级内部框架的输出频率减小，二级内部框架的输出频率增大；反之，当外部框架受到向下的加速度后，此时内部一级内部框架的输出频率增大，二级内部框架的输出频率减小，调频信号只与频率有关，与信号的幅值无关，因此，具有较强的抗干扰能力，这对于提高加速度的精度具有重要的意义。

本发明电调谐谐振式差频加速度计具有突出优点和显著进步是：

·具有独特的电调谐谐振设计，高精度谐振式加速度计的结构设计；

·具有较强的抗干扰能力，检测灵敏度高和精度高；

·输出数字信号可直接与数字处理器相连接，如计算机等。

·框架、柔性杆及检测质量块，及相互连接关系等结构紧凑，强度好，使用寿命较长。

随着近几年来MEMS微机械加工工艺的不断成熟和发展，已经有越来越多的利用体硅加工工艺和表面工艺的谐振式加速度传感器面世。相信在不久的将来，这种高性能的传感器器件会广泛应用于地震监测、医疗仪器、航空航天、武器装备等许多领域，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是电调谐谐振式差频加速度计的结构示意图；

图2是静电调谐的原理图；

图3是电调谐谐振式加速度计力学模型；

图4是电调谐谐振式差频加速度计的工作示意图；

图5是电调谐谐振式加速度计的ANSYS结构图；

图6是电调谐谐振式差频加速度计的ANSYS静电仿真图；

图7是电调谐谐振式差频加速度计的外部框架受到向下加速度作用时的ANSYS仿真图；

图8是电调谐谐振式差频加速度计的内部框架ANSYS结构仿真图；

图9是外部框架受到正常(加速度为零)时，一级内部框架的频率输出波形图；

图10是外部框架受到向下加速度时，一级内部框架的频率输出波形图；

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1所示，本发明的电调谐谐振差频加速度计，包括：

·一个半导体衬底；

·对称的四个一端与半导体衬底固定点9连接的外部柔性杆8，将支撑外部框架悬浮于半导体衬底上；

·四个对称的与半导体衬底固定点1连接的一级6和二级柔性杆11，这两级柔性杆将支撑一级内部框架5、二级内部框架14悬浮于半导体衬底上；

·与外部柔性杆8另一端连接的外部框架2，在外部框架内排列有上下垂直方向(沿坐标Y轴方向)的梳齿15；

·与两级柔性杆另一端连接的两级内部框架，在两级内部框架上下排列着垂直方向(沿坐标Y轴方向)的梳齿7；

·外部框架内部梳齿与两级内部框架上下排列的梳齿构成电调谐梳齿对10；

·分别与两级柔性杆另一端连接的一级内部框架和二级内部框架，在一二级内部框架两侧对称排列有(沿坐标X轴方向)驱动水平梳齿13；在一二级内部框架内排列有(沿坐标X轴方向)检测水平梳齿12；

·在一二级内部框架两侧有水平梳齿的驱动电极4，驱动电极分别用来驱动两级框架；

·在一二级内部框架内部有水平梳齿的检测电极3，检测电极分别用来检测和输出两级内部框架的频率信号；

·在一级内部框架左右的一级驱动梳齿和二级内部框架左右的二级驱动梳齿，两级驱动梳齿分别用来驱动两级内部框架，并通过两级内部框架内的梳齿输出信号；当外部框架没有受到垂直方向加速度时，一级、二级框架会以不同的频率在水平方向(沿坐标X轴方向)作简谐运动，此时系统将输出它们的频率差。当外部框架受到垂直方向(沿坐标Y轴正方向)向上的加速度后，外部框架向下振动，此时电调谐梳齿间对应的面积增加，使得一级内部框架的振动频率减小；同理，二级内部框架的振动频率增加；因此，两级内部框架的输出频率差发生变化；反之，当受到垂直方向(沿坐标Y轴反方向)向下的加速度后，情况相反。

在半导体衬底上布置了一个外部框架，与两个内部框架。三个框架为振荡装置。外部柔性杆另一端连接的外部框架，在外部框架上对称排列着四根外部柔性杆；两个分别与两级柔性杆另一端连接的一级内部框架和二级内部框架，在一级内部框架上对称排列有四根柔性杆且相互平行，在二级内部框架上对称排列有四根柔性杆且相互平行。

以上所述实际上是由半导体衬底、外部柔性杆、外部框架、两级内部柔性杆、两级内部框架等构成的三级独立的自振荡装置。驱动梳齿和检测梳齿，每对梳齿为固定梳齿与活动梳齿交错配置，电调谐梳齿，由两部分活动梳齿组成，其中外部框架上的梳齿只可上下(沿坐标Y轴正方向)振动，两级内部框架上的梳齿只可左右(沿坐标X轴方向)振动。图1所示的电调谐谐振差频加速度计，一级与二级内部框架是掉头180°结构相反，也可以完全一致相同。

本发明电调谐谐振差频加速度计的基本原理：

大多数谐振式加速度计的工作原理是，当加速度计受到向上的加速度后，整个结构的质心产生向下的位移，导致加速度计的输出频率增加；反之，当加速度计受到向下的加速度后，结构的质心上移，此时加速度计的输出频率减少。而本发明电调谐谐振差频加速度计采用静电调谐原理，与以上国内外结构工作原理完全不同，提出了一种高精度的静电调谐谐振式加速度计，调频信号只与频率有关，与信号的幅值无关。

(1)静电调谐原理

图2是静电调谐的原理图，上侧质量块Mass(即外部框架)加一定的电调谐电压Vt，在其上面有多个梳齿，如图所示。下侧质量块(即两级内部框架)在静电驱动电路的作用下沿x轴方向以一定的频率左右运动，同时带动其上部梳齿也左右运动，使得电调谐梳齿间的间距发生变化。从图中可以看出梳齿间的起始间距相等为x，上侧质量块上所带电调谐电压为常数，其大小对梳齿间的电调谐系数影响很大。在加速度g的作用下，若上侧质量块(所带电压为Vt)在y轴方向有向上或向下位移Δy产生，梳齿间的x轴方向的静电力就会减小(或增大)，相当于改变了下侧质量块上所带梳齿的振动频率，对应于输入的加速度。

以下根据图3所示的电调谐谐振式加速度计力学模型，进行分析如下：

对于该谐振加速度计，当上侧质量块受到的加速度值为0时，则梳齿间所对应的面积A恒定，下侧质量块在静电驱动力作用下左右运动，使得梳齿间的间距为x，假设梳齿间的间距变化为Δx。此时，梳齿间电容大小为： $c=\mathrm{\ϵ}\·\frac{l\·\mathrm{\ω}}{x},$ 则静电力大小 $F_e=\frac{1}{2}\·\frac{\∂C}{\∂x}\·V^2=-\frac{1}{2}\·\frac{\mathrm{\ϵ}\·\mathrm{\ω}\·l}{x^2}\·V^2=-\frac{1}{2}\·\frac{\mathrm{\ϵ}\·A}{x^2}\·V^2.$ 因此，根据虎克定律可以得到由该静电力产生的静电调谐系数为： $k=\frac{F_e}{\mathrm{\Δx}}=-\frac{1}{2}\·\frac{\mathrm{\ϵ}\·A}{x^3}\·V^2,$ 为负弹性系数。

由上式可知静电调谐系数的大小与梳齿间的对应面积和间距有关。因此，改变梳齿间的面积或间距将会使得结构的静电调谐系数发生变化，从而使得下侧质量块的谐振频率发生改变，测出输入的加速度。上述式子说明了该设计思想的可行性。

(2)静电调谐谐振式加速度计的工作原理

谐振差频加速度计不同于常见敏感电容极板间距变化的差动电容式传感器，它是利用整个器件变化频率之间的差值来计算加速度的大小。此敏感元件的工作原理可以利用梳齿的电调谐原理来分析。图3所示为电调谐谐振式加速度计力学模型。下侧质量块由左右驱动弹簧固定，构成自振荡结构。

当带有恒定电压的上侧质量块受到一个向上的加速度时，上侧质量块向下运动。根据静电调谐原理，电调谐梳齿间的面积增大，梳齿间的电调谐弹性系数增大，由于电调谐系数是一个负弹性系数，等效于下侧质量块的驱动弹簧长度变大，可得驱动弹簧的弹性系数k减小，所以导致下侧质量块的振动频率减小；反之，下侧质量块的振动频率增大。所以，通过检测系统的频率变化就可以判定被测加速度的大小。其中外部框架所带电调谐电压Vt的大小对加速度计g值的敏感性有很大影响。

电调谐加速度计是一种以改变梳齿间的电调谐系数为基础的一种加速度传感器。其结构示意图3所示。首先，在上侧质量块上施加恒定的电调谐电压+V_t，下侧质量块在静电驱动力的作用下左右振动。同时，假设下侧质量块振动的固有频率为f₀。当上部质量块受到一个y轴正方向的加速度时，将会向下振动，电调谐梳齿间对应的面积增大，静电调谐系数负向增大，使得下侧质量块的振动频率变化为f₁。反之，下侧质量块的振动频率变化为f₂，则f₁＝f₀+Δf，f₂＝f₀-Δf

电调谐式加速度计的输出频率也是输入加速度a的非线性函数，一般可用级数表示：

f₁＝K₀₁+K₁₁a+K₂₁a²+K₃₁a³

f₂＝K₀₂-K₁₂a+K₂₂a²-K₃₂a³

加速度计的差频输出：

2Δf＝f₁-f₂＝(K₀₁-K₀₂)+(K₁₁+K₁₂)a+(K₂₁-K₂₂)a²+(K₃₁+K₃₂)a³从而计算出输入加速度的大小。

本发明电调谐谐振式差频加速度计的工作过程：

图4所示为电调谐谐振式差频加速度计的工作图，首先给两级内部框架左、右两边的驱动梳齿加上±V_d的偏置电压，此时将在微结构的差动电容间产生静电力，驱动梳齿起振产生微小的位移，并且两级内部框架的上下垂直方向(沿坐标Y轴方向)的梳齿也开始振动起来，内部的(沿坐标X轴方向)水平梳齿也开始振动起来了。内部水平梳齿振动时产生的微小信号通过电荷放大器放大输出，输出的放大信号一部分加到右边的驱动梳齿上，另一部分则通过反相器PHD加到左侧的驱动梳齿上。这样的话，左、右两端驱动梳齿上加的电压增大，整个系统的振幅也随之增大，输出信号也变强了，以此类推，系统振幅将越来越来大，输出信号也越来越强；但是，由于外界环境的阻尼作用，系统的振幅不会无休止的增大，到一定程度后它的振动就会趋于稳定。

其次在外部框架上施加+V_t的恒定电压，使得外部框架及其上所带梳齿具有恒定电压。同时，在外部框架上施加一定的加速度，使得外部框架向上或向下振动，该振动结果使得电调谐梳齿间距面积发生变化，由于内部两级框架的振动使得电调谐梳齿间的间距发生变化，面积和间距的变化使得电调谐系数增大或减小，等效于两级内部框架的驱动弹簧长度变长或变短，由于电调谐系数为负系数，可得驱动弹簧的弹性系数k减小或增大，导致驱动框架的振动频率变化；因此，整个系统就产生了频率的差值。由此表明，系统的频率变化量与加速度的大小相关，频率变化的正负与加速度的方向相关。所以，通过检测系统的频率变化就可以判定被测加速度的大小和方向。

设两级内部框架左、右两端驱动梳齿上的电压分别为+V_d、-V_d，外部框架上的恒定电压为+V_t，左、右两端电荷放大器的输出信号分别为A₁ sinω_n1t和A₂sinω_n2t，所以一级内部框架左、右两端梳齿上所加的电压为+V_d+A₁ sin(ω_n1t+180°、-V_d+A₁ sinω_n1t；二级内部框架左、右两端梳齿上所加的电压为+V_d+A₂ sin(ω_n2t+180°、-V_d+A₂sin ω_n2t；在输出端将左、右两部分电荷放大器的输出信号相乘的：

$(-V_d+A_1\sin {\mathrm{\ω}}_{n1}t)*(-V_d+A_2\sin {\mathrm{\ω}}_{n2}t)$

$=V_d^2+A_1\sin {\mathrm{\ω}}_{n1}t{A}_2\sin {\mathrm{\ω}}_{n2}t-V_d{A}_2\sin {\mathrm{\ω}}_{n2}t-V_d{A}_1\sin {\mathrm{\ω}}_{n1}t$

$=V_d^2+\frac{1}{2}{A}_1{A}_2[\cos ({\mathrm{\ω}}_{n1}-{\mathrm{\ω}}_{n2})t-\cos ({\mathrm{\ω}}_{n1}+{\mathrm{\ω}}_{n2})t]-V_d{A}_2\sin {\mathrm{\ω}}_{n2}t-V_d{A}_1\sin {\mathrm{\ω}}_{n1}t$

通过带通滤波器后，高频和低频信号被滤除掉，输出信号就只剩下： $\frac{1}{2}{A}_1{A}_2\left[\cos ({\mathrm{\ω}}_{n1}-{\mathrm{\ω}}_{n2})t\right],$ 所以其输出信号的频率就是两级内部框架检测梳齿输出信号的频率差。因此，通过输出信号的波形变化就能得到差频的大小。

本发明电调谐谐振式差频加速度计是一种静电调谐加速度计，利用静电调谐原理，采用差频结构设计，不仅能测量输入加速度的大小，而且可以测量输入加速度的方向，具有很高的灵敏度和精度。图5至图10所示，给出了电调谐谐振式差频加速度计结构的ANSYS静态、模态和谐响应分析。同时，利用静电结构耦合仿真的结果分析实现了合理的结构设计，实现惯性参量引起的加速度计谐振频率的线性检测。

Claims (4)

1、电调谐谐振式差频加速度计，包括半导体衬底、外部柔性杆、带梳齿结构的外部框架，其特征在于：在外部框架内有两级柔性杆、两级柔性杆支撑两级带梳齿结构的内部框架，并由外部柔性杆、外部框架结构、两级柔性杆与两级内部框架构成为三级独立的自振荡装置；两级内部框架的振荡频率不同，分别为f1和f2，在带有电调谐电压Vt的外部框架受到一个向上或向下，即沿坐标Y轴方向的加速度作用时，电调谐梳齿间面积和间距发生变化，使得电调谐系数发生变化，从而使得一级内部框架振动频率f1减小或增大；同理，二级内部框架振动频率f2增加或减小，输出频率Δf＝f1-f2发生变化，使加速度的变化对应到输出频率的变化，这样检测输出频率就检测到了作用的加速度大小与方向。

2、依据权利要求1所述的电调谐谐振式差频加速度计，其特征在于：所述的外部柔性杆、外部框架结构、两级柔性杆与两级内部框架为：

a.四个一端与半导体衬底固定点(1)连接的一级柔性杆(6)、四个一端与半导体衬底固定点(1)连接的二级柔性杆(11)，另有四个一端与半导体衬底固定点(9)连接的外部柔性杆(8)；

b.柔性杆(6)另一端连接的一级内部框架(5)，与柔性杆(11)另一端连接的二级内部框架(14)，以及与外部柔性杆(8)另一端连接的外部框架(2)；

c.由一级柔性杆(6)支撑一级内部框架(5)，二级柔性杆(11)支撑二级内部框架(14)，两级内部框架悬浮于半导体衬底上；外部柔性杆支撑外部框架(2)并悬浮于半导体衬底上；

d.在外部框架内排列有垂直梳齿(15)，在两级内部框架上下同样排列有垂直梳齿(7)，外部框架与一二级内部框架的梳齿构成电调谐梳齿对(10)；

e.在一二级内部框架两侧对称排列有(沿坐标X轴方向)驱动水平梳齿(13)，两级驱动水平梳齿分别用来驱动两级内部框架；在一二级内部框架内排列有(沿坐标X轴方向)检测水平梳齿(12)，两级检测水平梳齿用来检测输出信号；

f.在一二级内部框架两侧有水平梳齿的驱动电极(4)，驱动电极分别用来驱动两级框；

g.在一二级内部框架内部有水平梳齿的检测电极(3)，检测电极分别用来检测和输出两级内部框架的频率信号；

3、依据权利要求1所述的电调谐谐振式差频加速度计，其特征在于：所述的连接外框架的四个柔性杆对称分布，一级内部框架对称排列着四个柔性杆，二级内部框架同样对称排列着四个柔性杆。

4、依据权利要求1所述的电调谐谐振式差频加速度计，其特征在于：所述的一级与二级内部框架的结构相同。

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