CN108152862B - 一种重力加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种重力加速度传感器，包括：弹簧质量块结构，位移传感组件，上盖板结构以及下盖板结构；弹簧质量块结构包括：外框架、检验质量以及弹簧结构，检验质量在弹簧结构的约束下受外界力的作用而运动；位移传感组件包括：驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板，驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板的位置交错相对，形成电容器；当平行于驱动周期阵列极板或拾取周期阵列极板方向的重力加速度分量发生变化时，检验质量运动使得电容器的相对极板面积发生变化，通过检测电容的变化量确定该方向重力加速度分量的变化量，当重力加速度传感器在Z轴方向工作时，检验质量在重力作用下下垂位移为一个或多个阵列周期。本发明可以实现三分量重力测量。

Description

一种重力加速度传感器

技术领域

本发明属于精密测量物理技术领域，更具体地，涉及一种重力加速度传感器。

背景技术

重力加速度传感器是一种测量重力加速度微小变化量的精密重力测量传感器。重力加速度传感器有别于消费电子领域中用于运动传感和工业控制领域中用于振动监测的加速度传感器，其根本区别在于量程、分辨率和偏值稳定性的幅值不同。用于运动传感和振动监测的加速度传感器的量程一般为1-100g，分辨率为1mg量级，且对偏值稳定性基本没有要求；而重力加速度传感器的量程一般为1mg量级，分辨率为1ng量级(约为重力测量常用单位1μGal，其中1g≈9.8m/s²，1Gal＝0.01m/s²≈1mg)，且对偏值稳定性有极高的要求。

重力加速度传感器通常作为相对重力仪的核心敏感单元，用于测量不同区域空间位置的重力加速度或者同一位置不同时间的重力加速度，也即区域重力场或者时变重力场的测量。高分辨率地测量地球重力场，对于地球物理科学基础研究、重力资源勘探、以及大地测量等具有重要意义。目前广泛使用的相对重力仪采用金属零长弹簧、石英熔融弹簧、以及细丝振弦型的重力加速度传感器，虽然这些重力加速度传感器的分辨率都可以达到10μGal以下，但是受技术本身所限，其制造成本高且制造周期长。2016年英国格拉斯哥大学发布一款基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术的重力加速度传感器原理样机，并成功测量到了地球潮汐信号，但是其采用的光强位移传感器精度不高，其分辨率仅有40μGal，比传统重力加速度传感器的分辨率稍低，并且只能实现Z轴重力加速度测量，无法实现水平分量测量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种微机电重力加速度传感器，旨在解决传统重力加速度传感器制造成本高且制造周期长的问题，以及解决现有MEMS重力加速度传感器分辨率较低且无法实现三分量重力测量的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种重力加速度传感器，包括：弹簧质量块结构，位移传感组件，上盖板结构以及下盖板结构；

弹簧质量块结构包括：外框架、检验质量以及弹簧结构，检验质量通过弹簧结构与外框架相连，所述检验质量在弹簧结构的约束下受外界力的作用而运动；所述弹簧质量块四周的外框架与上盖板结构和下盖板结构固连封装，用于实现位移传感组件的安装、所述位移传感组件与外界的电气连接，以及对弹簧质量块结构的限位保护；所述位移传感组件包括：驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板，所述驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板的位置交错相对，形成电容器，所述驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板中的一个位于检验质量表面，另一个位于上盖板结构或下盖板结构表面；当平行于驱动周期阵列极板或拾取周期阵列极板方向的重力加速度分量发生变化时，所述检验质量运动使得所述电容器的相对极板面积发生变化，通过检测所述电容器电容的变化量确定该方向重力加速度分量的变化量，当所述重力加速度传感器在Z轴方向工作时，所述检验质量在重力作用下下垂位移为一个或多个阵列周期，所述阵列周期为所述驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板周期性交错排布的最小单元；所述驱动周期阵列极板比拾取周期阵列极板偏左和偏右各多出至少一个周期，或所述拾取周期阵列极板比驱动周期阵列极板偏左和偏右各多出至少一个周期。

其中，上述电容器也可称为周期阵列电容器。

可选地，所述重力加速度传感器适用于X轴、Y轴以及Z轴方向的测量，其可测量的重力加速度最大变化量所对应的电容器相对极板面积最大变化量为一个阵列周期。

可选地，所述重力加速度传感器在X轴、Y轴或Z轴方向的初始工作点的电容值相同。

可选地，所述弹簧质量块结构所用材料可以为单晶硅或者适宜微纳加工的半导体材料。

可选地，所述驱动周期阵列极板在一个阵列周期内包括两个驱动极板，分别加以幅值相同相位相反的驱动电压；所述拾取周期阵列极板在一个阵列周期内包括一个拾取极板；所述电容器在一个阵列周期内形成差分双端驱动和单端拾取配置，在工作零点处拾取极板的中心和两个驱动极板的间距中点相对，此时两个驱动极板与一个拾取极板所形成的差分电容值为零，即所述电容器的电容差值为零。

可选地，所述阵列周期P为：

P＝(w_elec+w_gap)*2＝g₀/(N*(2*π*f₀)²)

其中，w_elec为一个驱动极板宽度，w_gap为相邻驱动极板间距，N为整数(N＝1,2,3…)，g₀＝9.80665m/s²为重力加速度标准值，f₀为重力加速度传感器的本征频率。

另外，阵列周期P也可以为一个拾取极板宽度和相邻拾取极板间距之和。

可选地，所述上盖板结构或下盖板结构的材料可以是硅或者玻璃。

可选地，所述弹簧质量块结构的本征谐振频率很低，可以为1Hz-50Hz。

可选地，所述重力加速度传感器的分辨率很高，可以为1μGal-10μGal。

可选地，当所述电容器因为加工误差或者封装对准误差造成驱动极板和拾取极板的工作零点位置出现偏差时，可以通过调整电容传感电路中与所述电容器并联的差分电容器的值来进行补偿，使初始工作点的输出电压为零。

本发明所构思的技术方案与现有的技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的重力加速度传感器其Z轴方向工作的弹簧质量块结构会受到重力加速度作用自然下垂，通过参数设计使得弹簧质量块的下垂量等于1个或多个电容阵列周期(阵列周期)，使得重力传感器在Z轴方向可以正常工作。

(2)本发明通过对变面积周期阵列分布的电容位移传感器的精确设计，重力传感器在重力加速度作用下其初始下垂刚好位移至下一个工作点，重力传感器的初始电容值相同，使得相同器件的整个系统可以自适应三个轴的工作；避免了常规的梳齿电极式电容位移传感器只有一个初始工作点，在Z轴方向重力的作用下出现偏移量之后其工作的输出值不同，需重新单独设计的问题。

(3)本发明用在三轴重力仪的制作中，可以很好的大批量加工一种结构的重力加速度传感器，其三个轴的一致性会显著提高。

(4)本发明提供的方案并不会增加整个重力加速度传感器的加工工艺，仅仅只在结构设计上进行参数优化即可达到所需要求，易于实现，不会增大原本器件的制作难度。

(5)本发明能够应用于其他环境下的三轴重力仪中，通过调节弹簧刚度与周期电容极板的间距实现相同的效果，例如火星上的重力仪系统，极大地增强了本方案的应用范围。

(6)本发明的周期阵列电容器因为加工误差或者封装对准误差造成驱动极板和拾取极板的工作零点位置出现偏差时，可以通过调整电容传感电路中与周期阵列电容器并联的差分电容器的值来进行补偿，使初始工作点的输出电压为零。

附图说明

图1是本发明实施例提供的重力加速度传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的重力加速度传感器结构中的弹簧质量块结构示意图；

图3是本发明实施例提供的重力加速度传感器结构中的下盖板结构，其中图3a为俯视图，图3b为侧视图；

图4是本发明实施例提供的重力加速度传感器结构在X、Y轴的初始工作点状态示意图；

图5是本发明实施例提供的重力加速度传感器结构在Z轴的初始工作点状态示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为上盖板结构，2为弹簧质量块结构，3为位移传感组件，4为下盖板结构，5为弹簧质量块外框架，6为检验质量，7为弹簧结构，8为驱动周期阵列极板，9为封装点，10为引线焊盘，11为拾取周期阵列极板，12为X和Y轴工作模式下的工作点位置，13为Z轴工作模式下的工作点位置。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有重力加速度传感器的缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用同一结构的重力传感器自适应X、Y、Z三个轴测量环境的方法，其目的在于实现Z轴方向上的重力传感器克服重力加速度而产生一个初始下垂位移后其初始工作状态一致，能够实现高精度、高稳定性的重力测量，同时使制作成本得到有效地限制。

通过变面积周期阵列分布的电容位移传感器结合高灵敏弹簧质量块系统实现重力传感器在X、Y、Z轴的自适应工作。

根据敏感轴方向的区别，在具体使用过程中，X、Y轴方向上的重力传感器工作点在加工后的原始工作位置，Z轴方向上的重力传感器在重力加速度下弹簧质量块系统刚好下垂到下一个工作点，或者刚好下垂多个工作点间距。

为实现上述目的，本发明提供了一种重力传感器，包括：弹簧质量块结构，位移传感组件，上盖板结构以及下盖板结构。

弹簧质量块结构包括：外框架、检验质量以及弹簧结构，检验质量通过弹簧结构与外框架相连，检验质量在弹簧结构的约束下受外界力的作用而运动；弹簧质量块四周的外框架与上盖板结构和下盖板结构固连封装，用于实现位移传感组件的安装、弹簧质量块结构与外界的电气连接，以及对弹簧质量块结构的限位保护。

位移传感组件包括：驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板，驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板的位置交错相对，形成电容器，驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板中的一个位于检验质量表面，另一个位于上盖板结构或下盖板结构表面。

当平行于驱动周期阵列极板或拾取周期阵列极板方向的重力加速度分量发生变化时，检验质量运动使得电容器的相对极板面积发生变化，通过检测电容器电容的变化量确定该方向重力加速度分量的变化量。利用电容器变面积方式检测位移，实现高精度的位移检测，进一步通过检测到的位移确定重力加速度的变化量。

其中，驱动周期阵列极板可以为正、负双端驱动极板分布，拾取周期阵列极板可以为单端拾取电容极板。正、负驱动极板的长度相同，拾取电容极板的长度小于正、负驱动极板的长度之和。另外，驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板的位置还可以互换。在初始工作点，拾取电容极板与正、负驱动极板对称排布，即正驱动极板与拾取电容极板重合的面积等于负驱动极板与拾取电容极板重合的面积。进一步地，一个周期的正、负驱动极板所占的长度与一个周期的拾取电容极板所占长度相同，即驱动周期阵列极板的周期长度与拾取周期阵列极板的周期长度。

更进一步地，驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板均是均匀分布的。

具体地，重力传感器需要在三个轴上均能正常工作，在X和Y轴方向工作的重力传感器敏感轴方向与重力垂直，在Z轴方向上工作的重力传感器敏感轴方向与重力平行，需要克服重力加速度的重力作用，会产生一个初始下垂位移。

更进一步地，当重力加速度传感器在Z轴方向工作时，检验质量在重力作用下位移为一个或多个阵列周期，阵列周期为驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板周期性交错排布的最小单元；驱动周期阵列极板比拾取周期阵列极板偏左和偏右各多出至少一个周期，或驱动周期阵列极板比拾取周期阵列极板偏左和偏右各多出至少一个周期。

需要说明的是，阵列周期具体可为一个正、负驱动极板及其对应的一个拾取电容极板所占的最小长度。即阵列周期为驱动或拾取周期阵列极板的周期长度。

具体地，通过驱动周期阵列极板比拾取周期阵列极板偏左和偏右各多出至少一个周期，或拾取周期阵列极板比驱动周期阵列极板偏左和偏右各多出至少一个周期。使得当传感器在Z轴工作时，其在重力的作用下位移一个阵列极板周期相当于驱动周期阵列极板向左或者向右偏移一个周期。若驱动周期阵列极板偏移前重力传感器保持在初始工作点，那么当驱动周期阵列极板偏移一个或多个阵列极板周期，则拾取电容极板与正、负驱动极板又呈对称排布，即相当于重力传感器又保持在了初始工作点。

其中，这里的初始工作点也可以看做工作零点，即在重力传感器的初始工作状态，电容器的差分电容值保持为零。

具体地，可根据Z轴方向的重力加速度及重力传感器的相关参数设计阵列周期：

阵列周期P为：

P＝(w_elec+w_gap)*2＝g₀/(N*(2*π*f₀)²)

其中，w_elec为一个驱动极板宽度，w_gap为相邻驱动极板间距，N为整数(N＝1,2,3…)，g₀＝9.80665m/s²为重力加速度标准值，f₀为重力加速度传感器的本征频率。g₀/(2*π*f₀)²为质量块在重力加速度作用下的自然下垂量。

更进一步地，在一个具体的实施例中，重力加速度传感器在X轴和Y轴方向工作时其正对电容极板工作在第i组阵列，若重力加速度传感器的检验质量在Z轴方向工作时在重力作用下位移为15μm，此时，设计该重力加速度传感器的阵列周期为15μm，或者为15/Nμm，则检验质量恰好移动一个或多个阵列周期，工作在第i+N组阵列。

更进一步地，重力传感器可以实现一次设计，在三个方向轴上均能获得相同的初始电容值，无需调节即可稳定工作，并不需要对Z轴方向的结构进行单独设计。

工作中，重力传感器受到的重力与弹簧形变产生的弹力达到平衡，检验质量处于某一个平衡位置；重力传感器所处环境的重力加速度发生变化时，弹簧形变会随之变化使弹簧产生的弹力与重力平衡，使检验质量发生位移达到一个新的平衡位置。位移传感结构将检验质量的这一位移转化为变化的电容值，位移检测电路通过检测这一电容的变化得到检验质量的位移进而检测到重力加速度的变化。

通过合理的设计弹簧质量块系统和变面积周期阵列分布的电容位移传感器，由于X、Y轴重力传感器敏感轴与重力加速度方向垂直，不会在敏感轴方向产生位移，其工作点位置即为加工后的初始位置(与第i组电容极板正对)；Z轴重力传感器敏感轴与重力加速度平行，会在敏感轴方向产生一个初始下垂位移，使初始下垂位移等于一个或多个阵列周期，其工作点位置移动到其他工作点(与第i+N组电容极板正对)；两种状态下，其重力传感器所输出的初始电容值保持一致，故能够使同一器件自适应不同环境的测量要求。

在本发明实施例中，弹簧质量块结构中检验质量通过弹簧与外框相连，弹簧关于检验质量对称设置。

在本发明实施例中，弹簧质量块结构中弹簧的弹性系数因影响重力加速度传感器的本征频率故需要特别设计考虑，使得重力传感器在Z轴方向工作时，质量块的初始下垂位移刚好等于一个或多个阵列周期，使得重力传感器在X、Y、Z三个轴均能正常工作。

在本发明实施例中，弹簧质量块的材料可以为但不仅限于单晶硅或适宜微纳加工的半导体材料等。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的重力传感器，现结合附图以及具体实例详述如下：

本发明实施例提供了一种重力传感器的结构如图1所示；重力传感器包括上盖板结构1，弹簧质量块结构2，位移传感组件3，下盖板结构4；上盖板结构1和下盖板结构4与弹簧质量块结构2通过某一方式固连在一起形成如图1所示的“三明治”结构。

上述弹簧质量块结构2结构示意图如图2所示，所述弹簧质量块结构2包括：外框架5、检验质量6、弹簧结构7，检验质量6通过弹簧结构7与外框架5相连；所述外框架5通过某一方式与上盖板结构1和下盖板结构4的固连封装，实现弹簧质量块系统的Z方向的限位保护。

上述位移传感器组件3结构示意图如图2和图3a、图3b所示，所述位移传感组件3包括弹簧质量块结构2的检验质量6表面的驱动周期阵列极板8、上盖板结构1表面的拾取周期阵列极板11、引线焊盘10和封装点9，通过封装工艺，利用正对电容的变面积方式检测位移，实现高精度的位移检测。

重力传感器需要在三个轴上均能正常工作，X、Y轴重力传感器敏感轴与重力加速度方向垂直，不会在敏感轴方向产生位移，其工作点位置即为加工后的初始位置(与第i组电容极板正对)；Z轴重力传感器敏感轴与重力加速度平行，会在敏感轴方向产生一个初始下垂位移，使初始下垂位移等于一个周期电容阵列的宽度，其工作点位置移动到其他工作点(与第i+N组电容极板正对)；两种状态下，其重力传感器所输出的初始电容值保持一致，故能够使同一器件自适应不同环境的测量要求。

重力加速度传感器的周期阵列电容器因为加工误差或者封装对准误差造成在质量块受重力自然下垂后驱动极板和拾取极板的工作零点位置出现偏差时，即初始工作点的输出电压不为零时，可以通过调整电容传感电路中与周期阵列电容器并联的差分电容器的值来进行补偿，使初始工作点的输出电压为零。

本发明实施例提供了X、Y和Z轴工作模式下的不同工作状态如图4、5所示；重力传感器在X和Y轴工作时如图4所示，其工作点位置12在重力传感器加工后的初始中心位置，重力传感器在Z轴工作时如图5所示，其工作点位置13在重力传感器加工后的受到一个重力加速度的初始下垂位移，即为下一个中心工作点位置。

本发明通过设计阵列周期参数可在1g重力下感知全量程范围为1mg的重力加速度变化量；本发明通过超低频(本征频率1Hz-50Hz)重力敏感单元和高灵敏度电容位移传感器使得重力加速度测量精度为1μGal-10μGal；本发明提供的重力加速度传感器通过设置差分变面积式周期阵列传感器的不同周期的工作点来实现同一传感器可作为X、Y及Z任意方向的重力加速度测量。

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 (9)

1.一种重力加速度传感器，其特征在于，包括：弹簧质量块结构，位移传感组件，上盖板结构以及下盖板结构；

所述弹簧质量块结构包括：外框架、检验质量以及弹簧结构，检验质量通过弹簧结构与外框架相连，所述检验质量在弹簧结构的约束下受外界力的作用而运动；

所述弹簧质量块四周的外框架与上盖板结构和下盖板结构固连封装，用于实现位移传感组件的安装、所述位移传感组件与外界的电气连接，以及对弹簧质量块结构的限位保护；

所述位移传感组件包括：驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板，所述驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板的位置交错相对，形成电容器，所述驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板中的一个位于检验质量表面，另一个位于上盖板结构或下盖板结构表面；

当平行于驱动周期阵列极板或拾取周期阵列极板方向的重力加速度分量发生变化时，所述检验质量运动使得所述电容器的相对极板面积发生变化，通过检测所述电容器电容的变化量确定该方向重力加速度分量的变化量，当所述重力加速度传感器在Z轴方向工作时，所述检验质量在重力作用下下垂位移为一个或多个阵列周期，所述阵列周期为所述驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板周期性交错排布的最小单元；所述驱动周期阵列极板比拾取周期阵列极板偏左和偏右各多出至少一个周期，或所述拾取周期阵列极板比驱动周期阵列极板偏左和偏右各多出至少一个周期；

所述阵列周期P为：P＝(w_elec+w_gap)*2＝g₀/(N*(2*π*f₀)²)，其中，w_elec为一个驱动极板宽度，w_gap为相邻驱动极板间距，N为整数(N＝1,2,3…)，g₀＝9.80665m/s²为重力加速度标准值，f₀为重力加速度传感器的本征频率；阵列周期P也可以为一个拾取极板宽度和相邻拾取极板间距之和。

2.根据权利要求1所述的重力加速度传感器，其特征在于，所述重力加速度传感器适用于X轴、Y轴以及Z轴方向的测量，其可测量的重力加速度最大变化量所对应的电容器相对极板面积最大变化量为一个阵列周期。

3.根据权利要求2所述的重力加速度传感器，其特征在于，所述重力加速度传感器在X轴、Y轴或Z轴方向的初始工作点的电容值相同。

4.根据权利要求1所述的重力加速度传感器，其特征在于，所述弹簧质量块结构所用材料可以为适宜微纳加工的半导体材料。

5.根据权利要求1所述的重力加速度传感器，其特征在于，所述驱动周期阵列极板在一个阵列周期内包括两个驱动极板，分别加以幅值相同相位相反的驱动电压；

所述拾取周期阵列极板在一个阵列周期内包括一个拾取极板；

所述电容器在一个阵列周期内形成差分双端驱动和单端拾取配置，在工作零点处拾取极板的中心和两个驱动极板的间距中点相对，此时两个驱动极板与一个拾取极板所形成的差分电容值为零，即所述电容器的电容差值为零。

6.根据权利要求1所述的重力加速度传感器，其特征在于，所述上盖板结构或下盖板结构的材料可以是硅或者玻璃。

7.根据权利要求1所述的重力加速度传感器，其特征在于，所述弹簧质量块结构的本征谐振频率为1Hz-50Hz。

8.根据权利要求1所述的重力加速度传感器，其特征在于，所述重力加速度传感器的分辨率为1μGal-10μGal。

9.根据权利要求1所述的重力加速度传感器，其特征在于，当所述电容器因为加工误差或者封装对准误差造成驱动极板和拾取极板的工作零点位置出现偏差时，可以通过调整电容传感电路中与所述电容器并联的差分电容器的值来进行补偿，使初始工作点的输出电压为零。