CN109085382B - 一种基于机械超材料的加速度敏感机构及复合灵敏度微机械加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机械超材料的加速度敏感机构及复合灵敏度微机械加速度计，加速度计包括加速度敏感机构、位移传感机构和灵敏度切换执行机构；加速度敏感机构包括质量块、折叠梁和机械超材料周期性结构；折叠梁的一端和机械超材料周期性结构的一端分别与质量块的两端相连，折叠梁用于为加速度敏感机构提供正刚度，机械超材料周期性结构用于提供随位移变化呈现正、负相间的刚度；灵敏度切换执行机构用于控制质量块移动到不同的刚度区域。本发明采用机械超材料周期性结构和折叠梁串行连接的方式，形成具有多个不同斜率的应力应变线性区域的柔性结构；可使加速度敏感机构的柔性结构在不同位置处具有不同的刚度，因而具有多个灵敏度。

Description

一种基于机械超材料的加速度敏感机构及复合灵敏度微机械 加速度计

技术领域

本发明属于微机械惯性仪表技术领域，更具体地，涉及一种基于机械超材料的复合灵敏度微机械加速度计。

背景技术

微机械(MEMS)加速度计作为一种惯性测量元件，具有体积小、重量轻、成本低、功耗小和抗过载能力强等优势，已经在诸多需要进行惯性测量的领域中得到广泛应用。但是对于在一个物理过程中存在幅值相差悬殊的多段加速度需要测量时，现有的单个微机械加速度传感器已经无法满足应用需求。如战略火箭精确制导既需要先测量主动段大到几十g的加速度，也需要测量被动段小至亚μg的轨道扰动加速度；矿产、石油勘探技术领域中的井中重力测量既需要先测量井斜引起的几十mg重力加速度分量，又需要测量井周围矿体或石油密度差别引起的小至几ng的重力加速度异常值等。针对幅值相差悬殊的加速度测量的工程应用需求，国内外主流的技术路线为使用不同灵敏度的加速度计进行组合测量。专利CN103645344提出一种多量程MEMS叉指电容加速度计，其在单芯片上集成六个灵敏度不同的加速度计结构，使用分段加速度测量的方式通过一个传感器阵列来提高加速度测量范围。专利CN103901229提出了一种多个敏感单元逐层嵌套的多量程的微机械加速度计的专利。上述实现复合灵敏度加速度测量的方法都是同一芯片上同时加工出多个不同结构尺寸的加速度敏感单元，这样不利于发挥微机械加速度体积小和功耗小的优势。

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可以拓宽动态测量范围的具有多档灵敏度的微机械加速度计，旨在解决现有技术中单个MEMS加速度计无法满足需要测量大于10⁴g的加速度以及小于10^-4g的加速度的应用场合的问题。

本发明提供了一种基于机械超材料的加速度敏感机构，包括：质量块、折叠梁和机械超材料周期性结构；所述折叠梁的一端和机械超材料周期性结构的一端分别与质量块的两端相连，折叠梁的另一端和机械超材料周期性结构的另一端分别与外部框架相连；折叠梁用于为加速度敏感机构提供正刚度，机械超材料周期性结构用于提供随位移变化呈现正、负相间的刚度。

其中，折叠梁包括：两段或两段以上的直线形梁；相邻两段直线形梁之间成角度连接，相邻两段直线形梁不相连的一端分别作为折叠梁的一端和另一端。

其中，机械超材料周期性结构包括：多胞元，多胞元随应变增大产生多个跳跃应变区域并形成多个线性稳态区域和跳变区域相间的非线性应力应变；所述多胞元由多个单胞元周期性排列组成。

其中，多胞元的结构可以包括：M行*N列个第一单胞元，M和N均为正整数，通过增加列数N的值来实现多胞元刚度的线性增大，通过增加行数M的值来实现多胞元的线性刚度区间个数的增多。

其中，多胞元的结构还可以包括：P个第一单胞元和Q个第二单胞元周期性排列；P和Q均为正整数。

其中，第一单胞元包括：梁固定结构，第一梁，第二梁和连杆；第一梁和第二梁均包括两段，第一梁的第一段与第二梁的第一段平行，第一梁的第二段与第二梁的第二段平行，第一段与第二段之间成角度连接，且在第一段与第二段的连接处第一梁和第二梁通过连杆连接，第一梁和第二梁的两端通过梁固定结构固定。第一梁的刚度小于所述第二梁的刚度，所述第一梁的截面直径小于所述第二梁的截面直径。

本发明还提供了一种基于机械超材料的复合灵敏度微机械加速度计，包括：加速度敏感机构、位移传感机构和灵敏度切换执行机构；所述加速度敏感机构包括：质量块、折叠梁和机械超材料周期性结构；所述折叠梁的一端和机械超材料周期性结构的一端分别与质量块的两端相连，折叠梁的另一端和机械超材料周期性结构的另一端分别与外部框架相连；折叠梁用于为加速度敏感机构提供正刚度，机械超材料周期性结构用于提供随位移变化呈现正、负相间的刚度；所述位移传感机构用于测量质量块相对于框架的位移；所述灵敏度切换执行机构用于控制质量块移动到不同的刚度区域。

总体而言，通过本发明所述的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)基于机械超材料的微机械加速度计利用机械超材料应力应变成非线性多稳态的特征，采用机械超材料周期性结构和折叠梁串行连接的方式，形成具有多个不同斜率的应力应变线性区域的柔性结构。该设计可使加速度敏感机构的柔性结构在不同位置处具有不同的刚度，因而使加速度敏感机构具有多个灵敏度。通过多行多列的机械超材料周期性结构的设计，可实现微机械加速度计的灵敏度调节档位不少于2个，最大调节范围不小于2个数量级。

(2)基于机械超材料的微机械加速度计通过加速度计上通有电流的线圈与外部永磁体共同作用下产生的电磁力，施力改变加速度计质量块的位置，从而使质量块处于柔性机构的不同刚度区域，对加速度的敏感具有不同的灵敏度。基于电磁力对质量块位置进行调控可以做到可逆、可控和可原位操作，因此微机械加速度计灵敏度的切换可以做到可逆、可控和可原位操作，从而能够满足对一个物理过程中存在幅值相差悬殊的多段加速度进行测量的需求。

(3)基于机械超材料的微机械加速度计采用单个惯性质量块，相较现有通过多个质量块或者多个嵌套框架实现复合灵敏度的微机械加速度计，本发明提供的微机械加速度计的结构更加紧凑。

附图说明

图1是本发明实施例提供的单胞元示意图；

图2是本发明实施例提供的多胞元结构示意图；

图3是本发明实施例提供的基于机械超材料的微机械加速度计加速度敏感机构示意图；

图4是本发明实施例提供的基于机械超材料的微机械加速度计加速度敏感机构力-位移仿真示意图；

图5是本发明实施例提供的大行程的精密位移传感机构示意图，其中(a)是分布在质量块上的第一和第二位移传感模块的电容极板俯视图，(b)是第二位移传感模块侧视图，(c)是第一位移传感模块侧视图；

图6是本发明实施例提供的基于电磁力调控质量块位移示意图，其中(a)是质量块处于原始位置示意图，(b)是质量块受电磁力作用向右移动后的位置示意图；

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为梁固定结构，2为第一梁，3为第二梁，4为连杆，5为机械超材料周期性结构，6加速度敏感机构的外框，7为折叠梁，8为质量块，9-1为第一位移检测机构分布在质量块上的电容极板，9-2为第一位移检测机构分布在固定盖板上的电容极板，10-1为第二位移检测机构分布在质量块上的电容极板，10-2为第二位移检测机构分布在固定盖板上的电容极板，11为力反馈线圈，12为第一刚度区间，13为第二刚度区间，14为磁极S，15为磁极N。

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。

本发明提供了一种基于机械超材料单敏感单元的复合灵敏度微机械加速度计，具有灵敏度和量程范围可调，弥补单个微加速度计灵敏度不够和测量范围不足的缺陷。

在本发明实施例中，超材料即超构型人工结构材料，其概念最初源自于电磁学和光学方面的应用，后来发展到声学领域中的消声材料，逐渐延伸到了机械领域。机械超材料是指一组拥有非正常力学特征的人工结构，且力学特征由周期阵列人工结构中的子单元(胞元)的几何形状而非材料自身的成分所决定。

本发明提供的基于机械超材料的微机械加速度计可对刚度进行大幅调节，且刚度的调节过程能够做到可逆、可控和可原位操作。使用人工设计的机械超材料使弹性结构的应力应变呈现非线性多稳态特性，来实现刚度原位大幅可调的弹簧系统，从而实现复合灵敏度的微机械加速度计。

本发明提供的基于机械超材料复合灵敏度微机械加速度计，包括：加速度敏感机构、位移传感机构和灵敏度切换执行机构；加速度敏感机构用于将外界的加速度转换成为质量块相对于框架的位移；位移传感机构用于测量质量块位移；灵敏度切换执行机构用于移动质量块到不同的刚度区域。其中，加速度敏感机构包括：质量块、折叠梁和机械超材料周期性结构；折叠梁的一端和机械超材料周期性结构的一端分别与质量块的两端相连，折叠梁的另一端和机械超材料周期性结构的另一端分别与框架相连；质量块为惯性敏感检验质量块，折叠梁和机械超材料周期性结构均为类弹簧柔性机构；折叠梁用于为加速度敏感机构提供正刚度，机械超材料周期性结构用于提供随位移变化呈现正负相间的刚度，折叠梁和机械超材料周期性结构通过串联的方式工作，获得正刚度和准零刚度的线性应力应变区域，即加速度敏感机构的工作区域。

其中，加速度敏感机构材料可以为单晶硅，其结构可以通过深硅刻蚀一体化工艺加工而成。电容极板和金属线圈可以通过金属沉积工艺加工而成。

在本发明实施例中，加速度敏感机构弹簧系统中折叠梁和机械超材料相互之间为串行方式，形成的弹簧系统总刚度为两者刚度的代数和。作为本发明的一个实施例，折叠梁包括：两段或两段以上的直线形梁；相邻两段直线形梁之间成角度连接，相邻两段直线形梁不相连的一端分别作为折叠梁的一端和另一端。

在本发明实施例中，机械超材料周期性结构包括：多胞元，多胞元由多个单胞元周期性排列，单胞元是构成多胞元结构的基础单元，多胞元是通过多个单胞元相互连接构成多行和(或)多列的周期性结构。机械超材料可由结构相同的单胞元形成的多行多列周期性结构构成，也可以由不同结构的单胞元通过周期性排列组合而成。具体地，作为本发明的一个实施例，多胞元包括M行*N列个第一单胞元，增加多胞元的列数N可以线性地增加多胞元的刚度，增加多胞元的行数M可以增加多胞元的线性刚度区间的个数。作为本发明的另一个实施例，多胞元包括P个第一单胞元和Q个第二单胞元周期性排列；不同单胞元组成周期性阵列对刚度值进行更加细微的调整。多胞元的设计根据具体指标需求对单胞元进行有目的地周期性排列。

其中，单胞元包括：梁固定结构1，第一梁2，第二梁3和连杆4，第一梁2和第二梁3均被分成对称的两段，第一梁2的第一段与第二梁3的第一段平行，第一梁2的第二段与第二梁3的第二段平行，第一段与第二段之间成角度连接；第一梁2和第二梁3在折叠点位置通过连杆4连接，第一梁2和第二梁3的两端通过梁固定结构1固定。第一梁的截面直径小于第二梁的截面直径，第一梁的刚度小于第二梁的刚度。

在本发明实施例中，第一单胞元和第二单胞元结构相同，尺寸不同，即梁的长度和宽度不同。或者第一单胞元和第二单胞元的结构不相同。

在本发明实施例中，位移传感机构包括：第一位移传感模块和第二位移传感模块；第一位移传感模块的量程大于第二位移传感模块的量程；第一位移传感模块的灵敏度小于第二位移传感模块的灵敏度；第一位移传感模块和第二位移传感模块用于测量质量块的位移变化，第一位移传感模块的位移测量范围大于第二位移传感模块的测量范围，第一位移传感模块的位移测量精度低于第二位移传感模块的位移测量精度。

其中，第一位移传感模块包括：质量块上的正、负驱动电容极板和在固定盖板上的拾取电容极板。第二位移传感模块包括：质量块上的正、负驱动电容极板和固定盖板上的电容拾取极板共三个电容极板为单元，多单元等间距排列组成的位移传感阵列。且第一位移传感模块的电容极板尺寸大于第二位移传感模块的电容极板尺寸。第二位移传感模块通过在质量块移动方向上分布多个三电容极板单元组成的位移传感阵列。第一位移传感模块进行不同刚度区域的位移定位，第二位移传感模块进行精确位移测量。

在本发明实施例中，灵敏度切换执行机构包括：设置在质量块上的多绕组金属线圈，以及用于提供恒定磁场的永磁体，通以电流的金属线圈在恒定磁场中受到洛伦兹力的作用，使金属线圈的载体质量块受力产生移动。在线圈周围存在恒定磁场的情况下，通过对线圈施加不同的电流使质量块受到相应大小的洛伦兹力作用。通过电磁力调整质量块的位移使弹簧-质量块在不同刚度的位移区间内工作，改变质量块的位移可切换工作区间。

在本发明实施例中，单胞元的应力应变关系呈非线性特征，即单胞元的刚度随应变发生变化，既有正刚度，也有负刚度。其中，单胞元的应力应变的曲线有三个区域：小应变线性区域、跳跃应变区域和大应变线性区域。由单胞元组成的多行多胞元随应变增大产生多个跳跃应变区域，最终形成多个线性稳态区域和跳变区域相间的非线性应力应变。

在本发明实施例中，加速度敏感机构弹簧系统(机械超材料和折叠梁组合结构)的刚度在加工成型后仍然可以通过施加其他外界能量使其刚度发生变化，如重力，温度，其他外力等。另外，可以通过调整机械超材料和折叠梁的结构设计参数使弹簧系统刚度在一定的位移区间内达到非常低的刚度甚至是零刚度，具体地，机械超材料产生的负刚度和折叠梁的正刚度数值相同时，两者形成的弹簧系统的总刚度为零。同时，还可以通过调整机械超材料的周期结构设计参数使弹簧系统呈现不同多个应力应变线性范围，具体地，增加多胞元的行数M即可增加弹簧系统应力应变线性区域的个数。

加速度敏感机构工作时，弹簧系统处于正刚度，质量块在移动范围内应呈现线性的加速度-位移关系。可以通过调整质量块的位置，使弹簧系统处于不同的刚度区域。还可以通过电磁力调整质量块的位置，使弹簧-质量块加速度敏感机构在不同刚度的位移区间内切换。加速度敏感机构弹簧系统处于较低刚度时，满足小量程高灵敏度加速度传感的需求；加速度敏感机构弹簧系统处于较高刚度时，满足大量程低灵敏度加速度传感的需求。

由于电磁力施加系统由振子表面的多绕组金属线圈和永磁体提供的恒定磁场构成，通过对线圈施加不同的电流使质量块受到相应大小的洛伦兹力作用。可以通过第一位移传感模块对质量块进行不同刚度区域的位移传感定位。还可以通过第二位移传感模块对质量块进行精确位移测量。第二位移传感模块中成对驱动极板远多于拾取极板。

本发明中，基于机械超材料加速度敏感机构的加速度计通过检测质量块的位移变化来感知外界加速度。基于机械超材料的微机械加速度计的加速度敏感机构同样是弹簧-质量块系统，但是由机械超材料和折叠量共同构成的弹簧的刚度随质量块的位移改变而发生变化，也即弹簧的应力应变呈非线性特征。本实施例采用电磁力调节质量块位移，通过第一位移传感模块对质量块进行不同刚度区域的位移定位，由电磁力保持质量块处于弹簧的线性区域。如电磁力位移控制系统在图4所示的第一个位移区间内，将质量块的位移控制在线性区域范围内，其系统的刚度为k1，可实现一个加速度传感所需的线性系统。为了使弹簧-质量块系统工作在不同刚度的区域，即实现机械灵敏度调节，则需要使用电磁力将质量块的位置移动到另外一个刚度区间内，如k2，位移控制在该线性区域范围内工作。质量块在线性工作区内受到外界加速度的作用所产生的位移变化由第二位移传感模块进行精密测量。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于机械超材料的复合灵敏度微机械加速度计，现结合附图以及具体实例详述如下：

本发明第一实施例提供了一种单胞元的结构如图1所示；单胞元包括：梁固定结构1，第一梁2，第二梁3和连杆4，第一梁2和第二梁3均对称折叠后被分成两段，第一梁2的第一段与第二梁3的第一段平行，第一梁2的第二段与第二梁3的第二段平行，折叠后第一段与第二段之间成角度连接；第一梁2和第二梁3在折叠点位置通过连杆4连接，第一梁2和第二梁3的两端通过梁固定结构1固定。在本发明实施例中，第一梁2的刚度小于第二梁3的刚度，第一梁2的截面直径小于第二梁3的截面直径。

作为本发明的一个实施例，第一梁2可以为柔性材料，第二梁3可以为刚性材料。

本发明实施例中，单胞元通过周期性排列构成机械超材料周期性结构5如图2所示，质量块8通过折叠梁7和机械超材料周期性结构5与加速度敏感机构的外框6相连。

本发明实施例提供的基于机械超材料的微机械加速度计弹簧-质量块加速度敏感机构如图3所示，机械超材料周期性结构5，加速度敏感机构的外框6，折叠梁7，加速度敏感机构的质量块8，第一位移传感模块分布在质量块上的电容极板9-1，第二位移传感模块分布在质量块上的电容极板10-1，多绕组线圈11。

本发明实施例提供的基于机械超材料的微机械加速度计弹簧-质量块结构的力-位移关系仿真示意图如图4所示；刚度区间k1为12，刚度区间k2为13，电磁力位移控制系统在图4所示的第一个位移区间内，将质量块的位移控制在线性区域范围内，其系统的刚度为k1，可实现一个加速度传感所需的线性系统。为了使弹簧-质量块系统工作在不同刚度的区域，即实现机械灵敏度调节，则需要使用电磁力将质量块的位置移动到另外一个刚度区间内，如k2，位移控制在该线性区域范围内工作。

图5是本发明实施例提供的大行程的精密位移传感机构示意图，其中(a)是分布在质量块上的第一和第二位移传感模块的电容极板俯视图，(b)是第二电容位移传感机构侧视图，(c)是第一电容位移传感机构侧视图；8为质量块，9-1为第一位移传感模块分布在质量块上的电容极板，9-2为第一位移传感模块分布在固定盖板上的电容极板，10-1为第二位移传感模块分布在质量块上的电容极板，10-2为第二位移传感模块分布在固定盖板上的电容极板；电容极板材料可以是但不仅限于金、锡、铜等。当质量块和固定盖板之间有相对面内运动时，电容极板间重叠的面积发生变化从而产生电容变化，且可以检测到运动的方向。第一位移传感模块电容极板尺寸较大，对微小位移不敏感，此第一位移传感模块主要用于配合电磁驱动机构在切换灵敏度时对质量块进行大跨度的定位；如图5(b)所示，灵敏度切换完成以后需要用第二位移传感模块进行精确位移测量。

图6是本发明实施例提供的基于电磁力调控质量块位移示意图；14为磁极S，15为磁极N。在永磁体提供的磁场强度B下，通以电流I的金属绕组线圈受到洛伦兹力的作用，会使质量块8受力产生位移。采用的电磁力位移控制系统在图4所示的第一个位移区间内，将质量块的位移控制在线性区域范围内，其系统的刚度为k1，可实现一个加速度传感所需的线性系统。为了使弹簧-质量块系统工作在不同刚度的区域，实现机械灵敏度调节，则需要使用电磁力将质量块位置移动到另外一个刚度区间内，如k2，并将位移控制在该线性区域范围内工作。以此类推，实现灵敏度切换。

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)

1.一种基于机械超材料的加速度敏感机构，其特征在于，包括：质量块、折叠梁和机械超材料周期性结构；所述折叠梁的一端和机械超材料周期性结构的一端分别与质量块的两端相连，折叠梁的另一端和机械超材料周期性结构的另一端分别与外部框架相连；折叠梁用于为加速度敏感机构提供正刚度，机械超材料周期性结构用于提供随位移变化呈现正、负相间的刚度；所述机械超材料周期性结构包括：多胞元，多胞元随应变增大产生多个跳跃应变区域并形成多个线性稳态区域和跳变区域相间的非线性应力应变；所述多胞元由多个单胞元周期性排列组成。

2.如权利要求1所述的加速度敏感机构，其特征在于，所述折叠梁包括：两段或两段以上的直线形梁；相邻两段直线形梁之间成角度连接，相邻两段直线形梁不相连的一端分别作为折叠梁的一端和另一端。

3.如权利要求1所述的加速度敏感机构，其特征在于，所述多胞元包括：M行*N列个第一单胞元，M和N均为正整数，通过增加列数N的值来实现多胞元刚度的线性增大，通过增加行数M的值来实现多胞元的线性刚度区间个数的增多。

4.如权利要求1所述的加速度敏感机构，其特征在于，所述多胞元包括：P个第一单胞元和Q个第二单胞元周期性排列；P和Q均为正整数。

5.如权利要求3或4所述的加速度敏感机构，其特征在于，第一单胞元包括：梁固定结构(1)，第一梁(2)，第二梁(3)和连杆(4)；

所述第一梁(2)和所述第二梁(3)均包括两段，所述第一梁(2)的第一段与所述第二梁(3)的第一段平行，所述第一梁(2)的第二段与所述第二梁(3)的第二段平行，第一段与第二段之间成角度连接，且在第一段与第二段的连接处所述第一梁(2)和所述第二梁(3)通过所述连杆(4)连接，所述第一梁(2)和所述第二梁(3)的两端通过梁固定结构(1)固定。

6.如权利要求5所述的加速度敏感机构，其特征在于，所述第一梁(2)的刚度小于所述第二梁(3)的刚度，所述第一梁(2)的截面直径小于所述第二梁(3)的截面直径。

7.一种基于机械超材料的复合灵敏度微机械加速度计，其特征在于，包括：加速度敏感机构、位移传感机构和灵敏度切换执行机构；

所述加速度敏感机构为权利要求1-6任一项所述的加速度敏感机构，所述位移传感机构用于测量质量块相对于框架的位移，所述灵敏度切换执行机构用于控制质量块移动到不同的刚度区域。

8.如权利要求7所述的复合灵敏度微机械加速度计，其特征在于，所述灵敏度切换执行机构包括：设置在质量块上的多绕组金属线圈，以及用于提供恒定磁场的永磁体，通以电流的金属线圈在恒定磁场中受到洛伦兹力的作用，使金属线圈的载体质量块受力产生移动。

9.如权利要求7或8所述的复合灵敏度微机械加速度计，其特征在于，所述位移传感机构包括：第一位移传感模块和第二位移传感模块；

所述第一位移传感模块和所述第二位移传感模块均用于测量质量块的位移变化，其中，第一位移传感模块的位移测量范围大于第二位移传感模块的测量范围，所述第一位移传感模块的量程大于所述第二位移传感模块的量程；所述第一位移传感模块的灵敏度小于所述第二位移传感模块的灵敏度；第一位移传感模块的位移测量精度低于第二位移传感模块的位移测量精度。