CN109557336A - 一种静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构及其使用方法 - Google Patents

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刘雨东
朱欣华
苏岩
张晶
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Abstract

本发明公开一种静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构及其使用方法，静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构包括相邻布置的第一质量块和第二质量块、第一静电驱动部分、第一检测部分、第一敏感部分、第二静电驱动部分、第二检测部分、第二敏感部分、第一至第八固定基座、第一至第八弹性连接梁和质量块弹性连接件。先将两个质量块驱动到驱动模态，在敏感部分加上初始电压，敏感部分会产生静电力，计算出初始静电刚度，并且这时d1、d2相对于开始的位置已经发生了变化，当有加速度加在质量块上的时候质量块的位置发生变化导致d1、d2再次发生变化，进而导致静电刚度发生改变，谐振频率发生改变，从而达到用谐振频率敏感加速度的目的。

Description

一种静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构及其使用方法
技术领域
本发明属于惯性传感器技术领域，具体涉及一种静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构及其使用方法。
背景技术
硅微谐振式加速度计是一种基于MEMS技术的新型微惯性器件，其基本工作原理是利用振梁的力频特性，通过检测谐振频率变化量获取输入的加速度大小。硅微谐振式加速度计基本机构由敏感质量块和对称分布的两个谐振器组成，当有外部加速度作用在加速度计上时，敏感质量块上的惯性力会施加在两个谐振器上。其中一个谐振器受拉，谐振频率增大；而另一个谐振器受压，谐振频率减小。两个频率值的差值作为最后的输出值，固谐振式加速度计通过检测谐振器谐振频率的变化来敏感加速度的大小。
目前硅微谐振式加速度计研究大多都属于通过谐振梁的力频特性来敏感加速度的，加速度以惯性力的形式加在谐振梁上导致谐振梁的谐振频率发生变化，但是同时带来的是温度对于谐振梁的频率影响较大，加速度计刚通电的时候，温度变化比较大，温度的变化也会影响谐振频率的变化，进而导致加速度计的温度性能不够好。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构及其使用方法，用静电刚度来敏感加速度，由于静电刚度不受温度的影响，所以最大限度地减小了加速度计的零偏稳定性温度漂移的干扰。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构，包括相邻布置的第一质量块和第二质量块、第一静电驱动部分、第一检测部分、第一敏感部分、第二静电驱动部分、第二检测部分、第二敏感部分、第一固定基座、第二固定基座、第三固定基座、第四固定基座、第五固定基座、第六固定基座、第七固定基座、第八固定基座、第一弹性连接梁、第二弹性连接梁、第三弹性连接梁、第四弹性连接梁、第五弹性连接梁、第六弹性连接梁、第七弹性连接梁、第八弹性连接梁和质量块弹性连接件，
第一静电驱动部分、第一检测部分和第一敏感部分设置于第一质量块上，第二静电驱动部分、第二检测部分和第二敏感部分设置于第二质量块上，第一固定基座、第二固定基座、第三固定基座、第四固定基座、第五固定基座、第六固定基座、第七固定基座和第八固定基座固定于衬底上，第一质量块通过第一弹性连接梁、第二弹性连接梁、第五弹性连接梁、第六弹性连接梁分别与第一固定基座第二固定基座、第五固定基座、第六固定基座相连接，第二质量块通过第三弹性连接梁、第四弹性连接梁、第七弹性连接梁、第八弹性连接梁分别与第三固定基座、第四固定基座、第七固定基座、第八固定基座相连接，
第一敏感部分包括多个固定梳齿和多个谐振梳齿，多个固定梳齿与衬底固定连接，多个谐振梳齿与第一质量块固定连接，多个固定梳齿和多个谐振梳齿交替排列，其中谐振梳齿与相邻两个固定梳齿之间的距离为d1、d2，且d1和d2不相等，第二敏感部分的结构与第一敏感部分的结构相同，第一质量块和第二质量块通过质量块弹性连接件连接。
进一步地，第一固定基座第二固定基座、第五固定基座、第六固定基座分布于第一质量块的四角，第三固定基座、第四固定基座、第七固定基座、第八固定基座分布于第二质量块的四角。
进一步地，第一静电驱动部分和第一检测部分分布于第一敏感部分的两侧，第二静电驱动部分和第二检测部分分布于第二敏感部分的两侧。
进一步地，每一个谐振梳齿与相邻的一侧的固定梳齿之间的距离d1均相同，每一个谐振梳齿与相邻的另一侧的固定梳齿之间的距离d2均相同。
进一步地，所述第一弹性连接梁、第二弹性连接梁、第三弹性连接梁、第四弹性连接梁、第五弹性连接梁、第六弹性连接梁、第七弹性连接梁、第八弹性连接梁均为U形弹性连接梁。
一种根据上述所述的静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：通过第一静电驱动部分将第一质量块驱动，通过第二静电驱动部分将第二质量块驱动，第一质量块和第二质量块的谐振方向相反，此运动状态为驱动模态；
步骤二：在第一敏感部分和第二敏感部分的固定梳齿上加上初始电压V，将第一敏感部分和第二敏感部分上的谐振梳齿接地，连接在谐振梳齿两端的固定梳齿对其产生静电力，由于d1不等于d2，静电力不平衡，所以第一质量块和第二质量块产生初始位移最后静电力与弹性连接梁的弹性力平衡，并且敏感结构产生初始静电刚度；
步骤三：对敏感结构施加加速度，第一质量块和第二质量块进一步产生位移，第一质量块和第二质量块同向运动，此运动状态为检测模态，敏感结构静电刚度发生改变，这个改变会导致第一质量块和第二质量块的谐振频率发生改变，从而实现通过改变的谐振频率来敏感加速度。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)只有几个固定基座和两个大的质量块使得结构以及工艺比较简单，便于加工；(2)基于静电负刚度原理进行频率调制对温度变化不敏感，受温度影响小；(3)敏感部分、驱动部分、检测部分位于质量块内部，极大地节约了空间；(4)由于其将驱动模态以及检测模态分开，使得品质因数差异化设计成为可能，有利于品质因数的提高。
附图说明
图1为敏感结构静止时的状态简图。
图2为不加初始电压质量块同向模态运动时的状态简图。
图3为不加初始电压质量块反向模态运动时的状态简图。
图4为敏感部分加上初始电压时的状态简图。
图5为有向右方向的加速度的状态简图。
图6为有向左方向的加速度的状态简图。
图7为本发明敏感部分梳齿放大图。
图8为本发明敏感结构图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
结合图7、8，一种静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构，包括相邻布置的第一质量块1a和第二质量块1b、第一静电驱动部分7a、第一检测部分8a、第一敏感部分、第二静电驱动部分7b、第二检测部分8b、第二敏感部分、第一固定基座2a、第二固定基座2b、第三固定基座2c、第四固定基座2d、第五固定基座2e、第六固定基座2f、第七固定基座2g、第八固定基座2h、第一弹性连接梁3a、第二弹性连接梁3b、第三弹性连接梁3c、第四弹性连接梁3d、第五弹性连接梁3e、第六弹性连接梁3f、第七弹性连接梁3g、第八弹性连接梁3h和质量块弹性连接件4，
第一静电驱动部分7a、第一检测部分8a和第一敏感部分设置于第一质量块1a上，第二静电驱动部分7b、第二检测部分8b和第二敏感部分设置于第二质量块1b上，第一固定基座2a、第二固定基座2b、第三固定基座2c、第四固定基座2d、第五固定基座2e、第六固定基座2f、第七固定基座2g和第八固定基座2h固定于衬底上，第一质量块1a通过第一弹性连接梁3a、第二弹性连接梁3b、第五弹性连接梁3e、第六弹性连接梁3f分别与第一固定基座2a第二固定基座2b、第五固定基座2e、第六固定基座2f相连接，第二质量块1b通过第三弹性连接梁3c、第四弹性连接梁3d、第七弹性连接梁3g、第八弹性连接梁3h分别与第三固定基座2c、第四固定基座2d、第七固定基座2g、第八固定基座2h相连接，
第一敏感部分包括多个固定梳齿5和多个谐振梳齿6，多个固定梳齿5与衬底固定连接，多个谐振梳齿6与第一质量块1a固定连接，多个固定梳齿5和多个谐振梳齿6交替排列，其中谐振梳齿6a与相邻两个固定梳齿5a之间的距离为d1、d2，且d1和d2不相等，第二敏感部分的结构与第一敏感部分的结构相同，第一质量块1a和第二质量块1b通过质量块弹性连接件4连接。
进一步地，第一静电驱动部分7a和第一检测部分8a分布于第一敏感部分的两侧，第二静电驱动部分7b和第二检测部分8b分布于第二敏感部分的两侧。
进一步地，每一个谐振梳齿6与相邻的一侧的固定梳齿5之间的距离d1均相同，每一个谐振梳齿6与相邻的另一侧的固定梳齿5之间的距离d2均相同。
进一步地，所述第一弹性连接梁3a、第二弹性连接梁3b、第三弹性连接梁3c、第四弹性连接梁3d、第五弹性连接梁3e、第六弹性连接梁3f、第七弹性连接梁3g、第八弹性连接梁3h均为U形弹性连接梁。
静电负刚度加速度计原理实际工作中先将两个质量块驱动到驱动模态，两个质量块反向振动，在敏感部分加上初始电压，由于敏感部分谐振梳齿与相邻两个固定梳齿的距离不一样(d1<d2),所以会产生静电力(静电力只有吸力)，静电力会与U形弹性梁上的力平衡这时计算出质量块初始位移，把这个位置当做平衡位置，这时候能计算出初始静电刚度，并且这时d1、d2相对于开始的位置已经发生了变化，当有加速度加在质量块上的时候质量块的位置发生变化导致d1、d2再次发生变化，进而导致静电刚度发生改变，谐振频率发生改变，从而达到用谐振频率敏感加速度的目的，实际工作过程中通过将频率进行标定可得出具体的加速度的大小。其中第一质量块1a通过第一静电驱动部分7a、第一检测部分8a在测控电路中进行闭环驱动，能够找到第一质量块1a的固有谐振频率并进行实时跟踪，通过测控装置(例如示波器系统)可以读出质量块固有谐振频率的变化，第二质量块1b同理。
如图1，图2，图3所示为敏感结构没有敏感部分时候的简化图，其中K1表示U形弹性连接梁的刚度，K2表示中间质量块弹性连接的刚度，图1表示敏感结构静止时的状态，图2表示(不加初始电压)质量块同向模态运动时的状态，图3表示(不加初始电压)质量块反向模态运动时的状态。
如图4，图5，图6所示为敏感结构有敏感部分时候的简化图，其中GND表示谐振梳齿的电压为0，V表示固定梳齿的电压，图4表示敏感部分加上初始电压时的状态，可以看出加上初始电压后质量块发生了初始位移x，图5表示有向右方向的加速度的状态，可以看出质量块有了一个向右的进一步的位移dx(dx为正)，图6表示有向左方向的加速度的状态，可以看出质量块有了一个向左的位移dx(dx为负)。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构，其特征在于，包括相邻布置的第一质量块(1a)和第二质量块(1b)、第一静电驱动部分(7a)、第一检测部分(8a)、第一敏感部分、第二静电驱动部分(7b)、第二检测部分(8b)、第二敏感部分、第一固定基座(2a)、第二固定基座(2b)、第三固定基座(2c)、第四固定基座(2d)、第五固定基座(2e)、第六固定基座(2f)、第七固定基座(2g)、第八固定基座(2h)、第一弹性连接梁(3a)、第二弹性连接梁(3b)、第三弹性连接梁(3c)、第四弹性连接梁(3d)、第五弹性连接梁(3e)、第六弹性连接梁(3f)、第七弹性连接梁(3g)、第八弹性连接梁(3h)和质量块弹性连接件(4)，
第一静电驱动部分(7a)、第一检测部分(8a)和第一敏感部分设置于第一质量块(1a)上，第二静电驱动部分(7b)、第二检测部分(8b)和第二敏感部分设置于第二质量块(1b)上，第一固定基座(2a)、第二固定基座(2b)、第三固定基座(2c)、第四固定基座(2d)、第五固定基座(2e)、第六固定基座(2f)、第七固定基座(2g)和第八固定基座(2h)固定于衬底上，第一质量块(1a)通过第一弹性连接梁(3a)、第二弹性连接梁(3b)、第五弹性连接梁(3e)、第六弹性连接梁(3f)分别与第一固定基座(2a)第二固定基座(2b)、第五固定基座(2e)、第六固定基座(2f)相连接，第二质量块(1b)通过第三弹性连接梁(3c)、第四弹性连接梁(3d)、第七弹性连接梁(3g)、第八弹性连接梁(3h)分别与第三固定基座(2c)、第四固定基座(2d)、第七固定基座(2g)、第八固定基座(2h)相连接，
第一敏感部分包括多个固定梳齿(5)和多个谐振梳齿(6)，多个固定梳齿(5)与衬底固定连接，多个谐振梳齿(6)与第一质量块(1a)固定连接，多个固定梳齿(5)和多个谐振梳齿(6)交替排列，其中谐振梳齿(6a)与相邻两个固定梳齿(5a)之间的距离为d1、d2，且d1和d2不相等，第二敏感部分的结构与第一敏感部分的结构相同，第一质量块(1a)和第二质量块(1b)通过质量块弹性连接件(4)连接。
2.根据权利要求1所述的静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构，其特征在于，第一固定基座(2a)第二固定基座(2b)、第五固定基座(2e)、第六固定基座(2f)分布于第一质量块(1a)的四角，第三固定基座(2c)、第四固定基座(2d)、第七固定基座(2g)、第八固定基座(2h)分布于第二质量块(1b)的四角。
3.根据权利要求2所述的静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构，其特征在于，第一静电驱动部分(7a)和第一检测部分(8a)分布于第一敏感部分的两侧，第二静电驱动部分(7b)和第二检测部分(8b)分布于第二敏感部分的两侧。
4.根据权利要求3所述的静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构，其特征在于，每一个谐振梳齿(6)与相邻的一侧的固定梳齿(5)之间的距离d1均相同，每一个谐振梳齿(6)与相邻的另一侧的固定梳齿(5)之间的距离d2均相同。
5.根据权利要求4所述的静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构，其特征在于，所述第一弹性连接梁(3a)、第二弹性连接梁(3b)、第三弹性连接梁(3c)、第四弹性连接梁(3d)、第五弹性连接梁(3e)、第六弹性连接梁(3f)、第七弹性连接梁(3g)、第八弹性连接梁(3h)均为U形弹性连接梁。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：通过第一静电驱动部分(7a)将第一质量块(1a)驱动，通过第二静电驱动部分(7b)将第二质量块(1b)驱动，第一质量块(1a)和第二质量块(1b)的谐振方向相反，此运动状态为驱动模态；
步骤二：在第一敏感部分和第二敏感部分的固定梳齿(5)上加上初始电压V，将第一敏感部分和第二敏感部分上的谐振梳齿(6)接地，连接在谐振梳齿(6)两端的固定梳齿(5)对其产生静电力，由于d1不等于d2，静电力不平衡，所以第一质量块(1a)和第二质量块(1b)产生初始位移最后静电力与弹性连接梁的弹性力平衡，并且敏感结构产生初始静电刚度；
步骤三：对敏感结构施加加速度，第一质量块(1a)和第二质量块(1b)进一步产生位移，第一质量块(1a)和第二质量块(1b)同向运动，此运动状态为检测模态，敏感结构静电刚度发生改变，这个改变会导致第一质量块(1a)和第二质量块(1b)的谐振频率发生改变，从而实现通过改变的谐振频率来敏感加速度。
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Inventor after: Su Yan

Inventor after: Liu Yudong

Inventor after: Zhu Xinhua

Inventor after: Zhang Jing

Inventor before: Liu Yudong

Inventor before: Zhu Xinhua

Inventor before: Su Yan

Inventor before: Zhang Jing

RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190402