CN107064558B - 一种带自标定振动台的电容式加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带自标定振动台的电容式加速度传感器。本发明把校准用振动台同传感器本身设计为一体，当传感器在现场工作前，可以实时的通过振动台对其敏感方向校准，以确认其敏感方向的工作性能，同时还设计了交叉轴驱动结构，实时测试得到其交叉轴特性，通过设计外围处理电路便可对传感器输出信号进行准确补偿，从而克服传感器在出厂后，其性能变化后不能实时获知的弊端。同时本发明集成了敏感振动台性能自测传感器，可以实现对振动台性能的准确测试，从而节省了额外安装测试传感器的成本，同时提高了振动台测试的精度。

Description

一种带自标定振动台的电容式加速度传感器

技术领域

本发明属于微电子机械技术领域，涉及一种微惯性传感器，具体涉及一种带自标定振动台的电容式加速度传感器。

背景技术

在各类检测原理的微机械传感器中，电容式加速度传感器由于具有温度系数小、灵敏度高、稳定性好等优点，是目前研制得最多的一类加速度传感器。目前研发的电容式加速度传感器可以用于石油勘探、桥梁振动状态监测等领域。电容式加速度传感器在使用以前，通常采用传统的校准方法如振动台标定系统等进行校准，以确定其幅频响应特性、相频响应特性等。但是在传感器用于石油勘探，或者安装在跨海大桥等结构上后，当传感器发生性能变化如比例因子漂移、灵敏度随时间退化等，传感器采集到的振动数据会产生很大的检测误差。而把振动标定系统搬运到现场或者把传感器拆下进行一个个校准又不现实。若设计微机械传感器时，把校准系统设计到传感器结构当中去便是解决方法之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带自标定振动台的电容式加速度传感器，可以实现电容式传感器的现场敏感方向驱动校准功能和交叉轴驱动校准功能，本发明集成了校准振动台测试传感器，实现振动基准信号的测量，同时节省了再额外安装振动台测试传感器的成本。

本发明包括第一基板及其上表面的检测电极对、固定于第一基板上的敏感器锚点、驱动器锚点、振动台吸合固定孤岛、吸合器锚点、传感器固定电极锚点、第二基板的悬于第一基板上方的可横向和纵向运动的敏感振动台、4根将敏感器锚点和敏感振动台相连的振动台支撑梁、纵向敏感加速度电容式传感器、2个将纵向敏感加速度电容式传感器和敏感振动台相连的传感器锚点、2根传感器纵向敏感支撑梁、第二基板的悬于第一基板上方的横向驱动固定梳齿、纵向驱动固定梳齿、横向驱动可动梳齿、纵向驱动可动梳齿、吸合固定梳齿、吸合可动梳齿、传感器可动梳齿、传感器固定梳齿、可动吸合块。位于固定驱动电极上的驱动端引出电极、位于敏感器锚点上的敏感振动台引出电极、位于吸合器锚点上的吸合端引出电极、传感器固定电极上的传感器固定引出电极。

所述的第二基板的悬于第一基板上方的可横向运动和纵向运动的敏感振动台由横向敏感硅条、纵向敏感硅条、横向外侧驱动梳齿、纵向外侧驱动梳齿、内侧吸合保持梳齿、部件连接框架组成。横向敏感硅条由n个等间距纵向放置的长条形硅条组成，n≥1,其长度方向跟纵向平行。纵向敏感硅条由m个等间距横向放置的长条硅条组成，m≥1，其长度方向跟纵向垂直。横向外侧驱动梳齿固定于部件连接框架的横向左侧、横向右侧，纵向外侧驱动梳齿固定于部件连接框架的纵向上侧、纵向下侧，横向左侧和横向右侧的横向外侧驱动梳齿长度方向同横向平行放置，每组的梳齿间纵向等间距排列，部件连接框架的左侧、右侧分别有两组。纵向上侧和纵向下侧的纵向外侧驱动梳齿长度方向同横向垂直放置，每组的梳齿间横向等间距排列，部件连接框架的上侧、下侧分别有两组。内侧吸合保持梳齿位于敏感振动台内侧，位置与吸合固定梳齿对应设置。横向敏感硅条和纵向敏感硅条悬浮在第一基板表面上的检测电极上方，且位置一一对应设置。

所述的第一基板上表面的检测电极对由自检测引出电极、电极连接线、叉指电极组成，共有4组检测电极对，每组检测电极对在第一基板上与悬于第一基板上的敏感振动台上的横向敏感硅条、纵向敏感硅条对应放置，以形成变面积检测电容对。

所述的敏感器锚点上的两个沿敏感器振动台的纵向中心线分别对称设置在敏感振动台的左右两端，另两个沿敏感器振动台的横向中心线分别对称设置在敏感振动台的上下两端，并通过四根振动台支撑梁分别同敏感振动台相连。

所述的驱动器锚点共有八个，每两个一组,共四组，分别对应放置在敏感振动台一侧，其中敏感器振动台左右两端对应的每组驱动器锚点沿纵向中心线对称放置，敏感器振动台上下两端对应的每组驱动器锚点沿横向中心线对称放置。多个驱动固定梳齿固定在对应的驱动器锚点上，分布在敏感振动台左右两侧驱动器锚点相固定的驱动固定梳齿与横向平行，且沿纵向均匀放置。分布在敏感振动台上下两侧驱动器锚点相固定的驱动固定梳齿与横向垂直，且沿横向向均匀放置。

所述的振动台吸合固定孤岛位于敏感振动台的内侧，并与敏感振动台相连，与可动吸合块位置对应设置。

所述的纵向敏感加速度电容式传感器由传感器质量块、传感器可动梳齿、矩形块组成，并通过两个矩形块分别与两根纵向敏感支撑梁连接，纵向敏感支撑梁通过传感器锚点与敏感振动台相连。

所述的纵向驱动固定梳齿、横向驱动固定梳齿同对应的驱动器锚点相连，并沿对应方向均匀排列，并与驱动可动梳齿一一对应设置。

所述的纵向驱动可动梳齿、横向驱动可动梳齿同敏感振动台外侧相连，并沿对应方向均匀排列，并同驱动固定梳齿的位置一对一对应设置。

所述的吸合可动梳齿同敏感振动台内侧相连，并沿对应方向均匀排列，并同吸合固定梳齿位置一一对应设置。

所述的吸合固定梳齿同吸合器锚点相连，并沿对应方向均匀排列，并同吸合可动梳齿位置一一对应设置。

所述的吸合可动梳齿与吸合固定梳齿间的间距比可动吸合块与振动台吸合固定孤岛之间的间距大一微米以上。

所述的驱动器可动电极与驱动器固定电极间的间距大于吸合可动梳齿与吸合固定梳齿间的间距。

所述的传感器可动电极与传感器固定电极间的间距大于吸合可动梳齿与吸合固定梳齿间的间距。

本发明的有益效果是：把校准用振动台同传感器本身设计为一体，当传感器在现场工作前，可以实时的通过振动台对其敏感方向校准，以确认其敏感方向的工作性能，同时还设计了交叉轴驱动结构，实时测试得到其交叉轴特性，通过设计外围处理电路便可对传感器输出信号进行准确补偿，从而克服传感器在出厂后，其性能变化后不能实时获知的弊端。同时本发明集成了敏感振动台性能自测传感器，可以实现对振动台性能的准确测试，从而节省了额外安装测试传感器的成本，同时提高了振动台测试的精度。

附图说明

图1(a)为本发明的第一基板及其上表面的检测电极对、自检测引出电极示意图；

图1（b）为图1（a）沿AA1的分解断面图；

图2为本发明的第二基板的结构及其表面上电极的示意图；

图3为本发明中的图2方框中的纵向敏感传感器结构放大后的示意图；

图4（a）为图1（a）和图（2）对应放置组合后的示意图；

图4（b）为图4（a）中的沿BB1的分解断面图；

图4（c）为图4（a）中的沿CC1的分解断面图；

图5为敏感振动台的变面积检测电容对结构示意图；

图6为固定梳齿和可动梳齿形成的电容对示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进一步说明：

本发明的实例涉及一种带自标定振动台的电容式加速度传感器，如图1（a）和图1（b）所示，在第一基板1上形成检测电极对，包括叉指电极6、7，电极连接线4、5和自检测引出电极2、3，共有4组检测电极对，每组检测电极对在第一基板上与悬于第一基板上的敏感振动台上的横向敏感硅条、纵向敏感硅条对应放置，以形成图5所示的变面积检测电容对。

如图2、图3所示，在第二基板上形成固定于第一基板1上的敏感器锚点8、驱动器锚点16、振动台吸合固定孤岛25、吸合器锚点21、传感器固定电极锚点27。第二基板的悬于第一基板1上方的可横向和纵向运动的敏感振动台的横向敏感硅条18、纵向敏感硅条18a、横向外侧驱动梳齿15、纵向外侧驱动梳齿12、内侧吸合保持梳齿19、部件连接框架13、传感器固定梳齿30。其中，横向敏感硅条18由6个等间距纵向放置的长条形硅条组成,其长度方向跟纵向平行。纵向敏感硅条18a由6个等间距横向放置的长条硅条组成，其长度方向跟纵向垂直。横向外侧驱动梳齿15如图所示，固定于部件连接框架13的横向左侧、横向右侧，纵向外侧驱动梳齿12固定于部件连接框架13的纵向上侧、纵向下侧，横向左侧和横向右侧的横向外侧驱动梳齿15长度方向同横向平行放置，每组的梳齿间纵向等间距排列，部件连接框架13左侧、右侧分别有两组。纵向上侧和纵向下侧的纵向外侧驱动梳齿12长度方向同横向垂直放置，每组的梳齿间横向等间距排列，部件连接框架上侧、下侧分别有两组。内侧吸合保持梳齿19位于敏感振动台内侧，位置与吸合固定梳齿20对应设置。横向敏感硅条18和纵向敏感硅条18a位于第一基板1表面上的检测电极上方，且位置一一对应设置。形成第二基板的悬于第一基板1上方的纵向敏感加速度电容式传感器，其中包括传感器质量块31、传感器可动梳齿29、矩形块32，同时形成纵向敏感支撑梁23、传感器锚点24。通过两个矩形块32分别与两根纵向敏感支撑梁23连接，纵向敏感支撑梁23通过传感器锚点24与敏感振动台相连。

其中形成的横向驱动固定梳齿14和横向驱动可动梳齿15形成纵向驱动梳齿电容对，其电容间距为d1微米，纵向驱动固定梳齿11和纵向驱动可动梳齿12形成横向驱动梳齿电容对，其电容间距为d2微米，d1=d2。纵向驱动电容对位于在敏感器左右两侧，横向电容对位于敏感上下两端，并对称分布，如图2所示，每边的两组驱动梳齿电容对形成差分结构，以达到对敏感振动台的推挽驱动。

形成的内侧吸合可动梳齿19与吸合固定梳齿20间形成吸合电极对，共6对，每对电容间距为d3微米，形成的可动吸合块26与振动台吸合固定孤岛25之间的间距为（d3+2）微米。

形成的传感器可动梳齿29与传感器固定梳齿30组成检测梳齿电容对，差分电容初始间距分别为G1和G2，初始位置为G1=G2，因而初始电容相等，而当有外界加速度信号作用在传感器上，一个测电容间距变大，而另一个对应的检测电容间距变小，从而形成电容的差分变化，根据电容式传感器检测原理，便可对外界加速度信号进行检测。

形成的第一基板1和第二基板上的结构对应放置后，如图4（a）所示，其对应的分解断面图如图4（b）、图4（c）所示。其中横向敏感硅条18由6个等间距纵向放置的长条形硅条组成,其长度方向跟纵向平行。纵向敏感硅条18a由6个等间距横向放置的长条硅条组成，其长度方向跟纵向垂直。而敏感硅条同第一基板1上的叉指电极对，位置对应放置，形成变面积的敏感振动台运动检测电容，其示意图如图5所示。

结合上述描述，以及根据示意图1至图6，当需要对传感器进行敏感方向上的实时校准时，在横向驱动固定梳齿14和横向驱动可动梳齿15形成的两组纵向驱动梳齿电容对上加入合适的驱动电压，并使敏感振动台纵向运动，其运动信号传递到纵向敏感传感器上，对其检测检测电容的变化进行检测，便可得到敏感传感器的输出信号。而敏感振动台的运动信号大小可以通过对图5所示的对应位置的变面积的敏感振动台运动检测电容的检测得到，敏感振动台的变面积检测电容输出信号和加速度电容式传感器的变间距电容的输出信号进行对比，从而得到纵向敏感传感器的特性，实现对其校准。而当对传感器进行交叉响应特性测试时，可以在纵向驱动固定梳齿11和纵向驱动可动梳齿12形成横向驱动梳齿电容加入对应的驱动电压，并通过图5所示的对应位置的变面积的敏感振动台运动检测电容检测驱动输入的大小，通过信号对比，确定纵向敏感加速度电容式传感器在横向驱动下的信号输出大小，从而实时的确定加速度电容式传感器在非敏感的横向上的输出特性，确定其输出误差，可以通过外加处理电路进行实时补偿。

而当加速度电容式传感器在实际工作时，在吸合固定梳齿20和吸合可动梳齿19间加入较大的电压，并导致可动吸合块26和振动台吸合固定孤岛25吸合，实现了敏感振动台固定在振动台吸合固定孤岛25上，由于吸合可动梳齿19与吸合固定梳齿20间形成的电容间距d3比横向驱动固定梳齿14和横向驱动可动梳齿15形成的纵向驱动梳齿电容间距d1大1微米以上，因而吸合发生时，不会有短路发生。而敏感振动台在固定后，外界的惯性信号将完全作用在纵向敏感加速度电容式传感器上，从而实现传感器的正常工作。

Claims (4)

1.一种带自标定振动台的电容式加速度传感器，其特征在于：包括第一基板及其上表面的检测电极对,在第二基板上形成固定于第一基板上的敏感器锚点、驱动器锚点、振动台吸合固定孤岛、吸合器锚点、传感器固定电极锚点,第二基板的悬于第一基板上方的可横向和纵向运动的敏感振动台,四根将敏感器锚点和敏感振动台相连的振动台支撑梁,纵向敏感加速度电容式传感器,两个将纵向敏感加速度电容式传感器和敏感振动台相连的传感器锚点,两根传感器纵向敏感支撑梁,第二基板的悬于第一基板上方的横向驱动固定梳齿、纵向驱动固定梳齿、横向驱动可动梳齿、纵向驱动可动梳齿、吸合固定梳齿、吸合可动梳齿、传感器可动梳齿、传感器固定梳齿、可动吸合块，位于固定驱动电极上的驱动端引出电极,位于敏感器锚点上的敏感振动台引出电极,位于吸合器锚点上的吸合端引出电极和传感器固定电极上的传感器固定引出电极；

所述的第二基板的悬于第一基板上方的可横向运动和纵向运动的敏感振动台由横向敏感硅条、纵向敏感硅条、横向外侧驱动梳齿、纵向外侧驱动梳齿、内侧吸合保持梳齿、部件连接框架组成；横向敏感硅条由n个等间距纵向放置的长条形硅条组成，n≥1,其长度方向跟纵向平行；纵向敏感硅条由m个等间距横向放置的长条硅条组成，m≥1，其长度方向跟纵向垂直；横向外侧驱动梳齿固定于部件连接框架的横向左侧、横向右侧，纵向外侧驱动梳齿固定于部件连接框架的纵向上侧、纵向下侧，横向左侧和横向右侧的横向外侧驱动梳齿长度方向同横向平行放置，每组的梳齿间纵向等间距排列，部件连接框架的左侧、右侧分别有两组；纵向上侧和纵向下侧的纵向外侧驱动梳齿长度方向同横向垂直放置，每组的梳齿间横向等间距排列，部件连接框架的上侧、下侧分别有两组；内侧吸合保持梳齿位于敏感振动台内侧，位置与吸合固定梳齿对应设置；横向敏感硅条和纵向敏感硅条悬浮在第一基板表面上的检测电极上方，且位置一一对应设置；

所述的第一基板上表面的检测电极对由自检测引出电极、电极连接线、叉指电极组成，共有四组检测电极对，每组检测电极对在第一基板上与悬于第一基板上的敏感振动台上的横向敏感硅条、纵向敏感硅条对应放置，以形成变面积检测电容对；

所述的敏感器锚点上的两个沿敏感器振动台的纵向中心线分别对称设置在敏感振动台的左右两端，另两个沿敏感器振动台的横向中心线分别对称设置在敏感振动台的上下两端，并通过四根振动台支撑梁分别同敏感振动台相连；

所述的驱动器锚点共有八个，每两个一组,共四组，分别对应放置在敏感振动台一侧，其中敏感器振动台左右两端对应的每组驱动器锚点沿纵向中心线对称放置，敏感器振动台上下两端对应的每组驱动器锚点沿横向中心线对称放置；多个驱动固定梳齿固定在对应的驱动器锚点上，分布在敏感振动台左右两侧驱动器锚点相固定的驱动固定梳齿与横向平行，且沿纵向均匀放置；分布在敏感振动台上下两侧驱动器锚点相固定的驱动固定梳齿与横向垂直，且沿横向向均匀放置；

所述的振动台吸合固定孤岛位于敏感振动台的内侧，并与敏感振动台相连，与可动吸合块位置对应设置；

所述的纵向敏感加速度电容式传感器由传感器质量块、传感器可动梳齿、矩形块组成，并通过两个矩形块分别与两根纵向敏感支撑梁连接，纵向敏感支撑梁通过传感器锚点与敏感振动台相连；

所述的纵向驱动固定梳齿、横向驱动固定梳齿同对应的驱动器锚点相连，并沿对应方向均匀排列，并与驱动可动梳齿一一对应设置；

所述的纵向驱动可动梳齿、横向驱动可动梳齿同敏感振动台外侧相连，并沿对应方向均匀排列，并同驱动固定梳齿的位置一对一对应设置；

所述的吸合可动梳齿同敏感振动台内侧相连，并沿对应方向均匀排列，并同吸合固定梳齿位置一一对应设置；

所述的吸合固定梳齿同吸合器锚点相连，并沿对应方向均匀排列，并同吸合可动梳齿位置一一对应设置。

2.根据权利要求1所述的一种带自标定振动台的电容式加速度传感器，其特征在于：所述的吸合可动梳齿与吸合固定梳齿间的间距比可动吸合块与振动台吸合固定孤岛之间的间距大一微米以上。

3.根据权利要求1所述的一种带自标定振动台的电容式加速度传感器，其特征在于：所述的驱动器可动电极与驱动器固定电极间的间距大于吸合可动梳齿与吸合固定梳齿间的间距。

4.根据权利要求1所述的一种带自标定振动台的电容式加速度传感器，其特征在于：所述的传感器可动电极与传感器固定电极间的间距大于吸合可动梳齿与吸合固定梳齿间的间距。