CN109613302A - 电容式mems加速度计机械梁刚度测量方法、装置和系统 - Google Patents

电容式mems加速度计机械梁刚度测量方法、装置和系统 Download PDF

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CN109613302A CN201811589294.0A CN201811589294A CN109613302A CN 109613302 A CN109613302 A CN 109613302A CN 201811589294 A CN201811589294 A CN 201811589294A CN 109613302 A CN109613302 A CN 109613302A
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Abstract

本申请涉及一种电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法、装置和系统。所述方法包括：通过向加速度计施加预载电压，预载电压包括第一预载电压和第二预载电压；在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第一预载电压下输出的第一电压变化量，以及在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第二预载电压下输出的第二电压变化量；根据第一预载电压的第一静电负刚度、第二预载电压的第二静电负刚度、第一电压变化量和第二电压变化量，得到加速度计的机械梁刚度，从而可避免传统测量技术在测量机械梁刚度时因位移电容转换系数、惯性质量块质量等参数对测量精度造成的影响，提高了加速度计的机械梁刚度的测量精度。

Description

电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法、装置和系统
技术领域
本申请涉及加速度计技术领域，特别是涉及一种电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法、装置和系统。
背景技术
与传统加速度计相比，MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)加速度计具有体积小、重量轻、功耗小、易集成、抗过载能力强等诸多特点，使其在军事、工业、医疗、安全监测和消费电子等诸多领域均有应用。
MEMS加速度计包含敏感结构和检测电路，其中，敏感结构是MEMS加速度计的核心结构，其采用微加工工艺制造而成。从MEMS加速度计设计到敏感结构加工的过程中，需要明确敏感结构的各种参数，例如，惯性质量、交叠面积、电容间隙、机械刚度等等，其中机械刚度是非常重要的参数，其决定敏感结构感应加速度的灵敏度。电容式MEMS加速度计作为MEMS加速度计中重要的一类，其由于具有精度高、温漂小、稳定性好等优点、成为工程应用中被广泛采纳的一类MEMS加速度计，因此，提取电容式MEMS加速度计中敏感结构的机械梁刚度具有非常重要的意义。
目前传统技术主要有以下三种测量机械梁刚度的方法：(1)基于胡克定律的弯曲法，通过施加作用力于惯性质量块上来测量机械梁刚度；(2)基于胡克定律的弯曲法，通过施加惯性力作用于惯性质量块上来测量机械梁刚度；(3)基于谐振法测量敏感结构的谐振频率，进而得到机械梁刚度。但是，在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统测量技术无法精确地测量电容式MEMS加速度计的敏感结构的机械梁刚度。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高机械梁刚度测量精度的电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法、装置和系统。
为了上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法，包括以下步骤：
向加速度计施加预载电压；预载电压包括第一预载电压和第二预载电压；
在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第一预载电压下输出的第一电压变化量，以及在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第二预载电压下输出的第二电压变化量；
根据第一预载电压的第一静电负刚度、第二预载电压的第二静电负刚度、第一电压变化量和第二电压变化量，得到加速度计的机械梁刚度；第一静电负刚度为加速度计在第一预载电压下的机械梁刚度等效减小量；第二静电负刚度为加速度计在第二预载电压下的机械梁刚度等效减小量。
在其中一个实施例中，向加速度计施加预载电压的步骤中：
在加速度计的上极板和下极板接地时，向加速度计施加预载电压。
在其中一个实施例中，在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第一预载电压下输出的第一电压变化量，以及在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第二预载电压下输出的第二电压变化量的步骤中：
在加速度计受到的加速度从零加速度变化至一个重力加速度时，获取加速度计在第一预载电压下输出的第一电压变化量；以及在加速度计受到的加速度从零加速度变化至一个重力加速度时，获取加速度计在第二预载电压下输出的第二电压变化量。
在其中一个实施例中，根据第一预载电压的第一静电负刚度、第二预载电压的第二静电负刚度、第一电压变化量和第二电压变化量，得到加速度计的机械梁刚度的步骤中，基于以下公式获取机械梁刚度：
其中，k表示机械梁刚度；ke1表示第一静电负刚度；ke2表示第二静电负刚度；ΔV1表示第一电压变化量；ΔV2表示第二电压变化量。
在其中一个实施例中，根据所述第一预载电压的第一静电负刚度、所述第二预载电压的第二静电负刚度、所述第一电压变化量和所述第二电压变化量，得到所述加速度计的机械梁刚度的步骤之前，基于以下公式获取所述第一静电负刚度：
其中，ke1表示所述第一静电负刚度；εr表示相对介电常数；ε0表示绝对介电常数；A表示所述加速度计的上极板与下极板的交叠面积；Vref1表示所述第一预载电压；d0表示所述加速度计的极板间距；
基于以下公式获取所述第二静电负刚度：
其中，ke2表示所述第二静电负刚度；εr表示相对介电常数；ε0表示绝对介电常数；A表示所述加速度计的上极板与下极板的交叠面积；Vref2表示所述第二预载电压；d0表示所述加速度计的极板间距。
另一方面，本申请实施例还提供了一种电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量装置，包括：
电压施加模块，用于向加速度计施加预载电压；预载电压包括第一预载电压和第二预载电压；
电压获取模块，用于在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第一预载电压下输出的第一电压变化量，以及在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第二预载电压下输出的第二电压变化量；
刚度获取模块，用于根据第一预载电压的第一静电负刚度、第二预载电压的第二静电负刚度、第一电压变化量和第二电压变化量，得到加速度计的机械梁刚度；第一静电负刚度为加速度计在第一预载电压下的机械梁刚度等效减小量；第二静电负刚度为加速度计在第二预载电压下的机械梁刚度等效减小量。
又一方面，本申请实施例还提供了一种电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量系统，包括电压输出设备、电压采集设备、加速度加载设备以及控制处理设备；
控制处理设备分别连接电压输出设备、电压采集设备和加速度加载设备；
其中，电压输出设备用于向加速度计施加预载电压；电压采集设备用于采集加速度计输出的电压；加速度加载设备用于向加速度计施加加速度；控制处理设备用于执行计算机程序时实现如上所述的方法的步骤。
在其中一个实施例中，电压输出设备包括电压芯片、增益调节器以及跨接电阻；
电压芯片连接控制处理设备，并通过增益调节器连接跨接电阻；跨接电阻用于连接惯性质量块。
在其中一个实施例中，加速度加载设备为离心机或六面体设备。
再一方面，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法的步骤。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：
通过向加速度计施加预载电压，预载电压包括第一预载电压和第二预载电压；在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第一预载电压下输出的第一电压变化量，以及在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第二预载电压下输出的第二电压变化量；根据第一预载电压的第一静电负刚度、第二预载电压的第二静电负刚度、第一电压变化量和第二电压变化量，得到加速度计的机械梁刚度，其中，第一静电负刚度为加速度计在第一预载电压下的机械梁刚度等效减小量；第二静电负刚度为加速度计在第二预载电压下的机械梁刚度等效减小量，从而，本申请电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法可避免传统测量技术在测量机械梁刚度时因位移电容转换系数、电容电压转换系数、惯性质量块质量等参数对测量精度造成的影响，提高了加速度计的机械梁刚度的测量精度。
附图说明
图1为一个实施例中本申请电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法的流程示意图；
图2为一个实施例中电容式MEMS加速度计的结构示意图；
图3为又一个实施例中本申请电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法的流程示意图；
图4为一个实施例中获取机械梁刚度测量方法的流程示意图；
图5为一个实施例中本申请电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量装置的结构框图；
图6为一个实施例中本申请电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量系统的结构框图；
图7为一个实施例中电压输出设备的结构框图；
图8为一个实施例中控制处理设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法、装置和系统的一个具体的应用场景中：
传统技术提出一种基于胡克定律，通过施加作用力于电容式MEMS加速度计敏感结构的惯性质量块上，测量惯性质量块在作用力下发生的位移，进而依据胡克定律得到电容式MEMS加速度计的机械梁刚度。但是该方法至少存在以下缺陷：由于电容式MEMS加速度计的惯性质量块尺寸非常小，且所需施加的作用力需要非常小，尽管目前已经有相应的设备可以提供nN(纳牛顿)～mN(毫牛顿)范围的作用力，但该方法的测试精度与所施加作用力的大小、施加作用力的方向以及位移检测精度均密切相关，而这三项的检测精度有限，导致通过该方法测量得到的机械梁刚度精度不高。此外，该方法需要用探针直接接触电容式MEMS加速度计的敏感结构，是一种具有损伤性的测试，而且对于圆片级封装后的样品，例如三明治式MEMS加速度计，是无法采用该方法测量机械梁刚度。
传统技术又提出一种基于胡克定律的弯曲法，其通过施加惯性力作用于MEMS加速度计的惯性质量块上，测量质量块位移导致的电容变化量，进而得到电容式MEMS加速度计的机械梁刚度，但该方法存在至少存在以下缺陷：该方法的测量精度取决于获取位移到电容的转换系数以及电容到电压的转换系数的精度，这两个转换系数的精度直接决定机械梁刚度的测量精度，而这两个系数难以精确测量得到，一般通过理论计算得到，因此受限于这两个转换系数的测量，该方法的精度不高。
传统技术还提出一种基于机械梁的无阻尼谐振频率和机械梁刚度之间关系进行机械梁刚度测量的方法，依据上述关系通过获取电容式MEMS加速度计敏感结构的机械梁的无阻尼谐振频率可获取机械梁刚度。但是该方法至少存在以下缺陷：由于电容式MEMS加速度计敏感结构在大气压下的阻尼较大，为获取机械梁的无阻尼谐振频率，需要将敏感结构敞开放置于真空腔体中，再测量得到样品的谐振频率，进而求得机械梁刚度，该方法测试过程繁琐，需要用到真空装置，此外，该方法需要将敏感结构敞开，无法采用该方法对圆片级封装的电容式MEMS加速度计的机械梁刚度实施测量。
为了解决传统测量技术无法精确地测量电容式MEMS加速度计的敏感结构的机械梁刚度的问题，在一个实施例中，如图1所示，一种电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法，包括以下步骤：
步骤S11，向加速度计施加预载电压；预载电压包括第一预载电压和第二预载电压。
其中，本申请所述的加速度计为电容式MEMS加速度计。为了便于理解本申请的方法步骤，首先介绍加速度计的敏感结构(如图2所示)，在加速度计的敏感结构中，可动的惯性质量块通过机械梁与固定锚连接，上极板、下级板和固定锚都是固定不动的。上极板与惯性质量块构成一个电容C1，下级板与惯性质量块构成另一个电容C2。在加速度作用下惯性质量块发生位移(图2中的x)，位移量x与机械梁刚度的大小有关，并且位移量x会使差分电容(C1-C2)发生变化，通过加速度计的电容-电压转换电路检测差分电容的变化，即可得到加速度。
预载电压用于给惯性质量块与上下极板之间施加静电力，预载电压的大小可在测量过程中根据实际需求选定，具体的，预载电压施加在加速度计的惯性质量块上。
为了避免上下极板加载的电压对测量机械梁刚度造成影响，在一个具体的实施例中，向加速度计的惯性质量块施加预载电压的步骤中：在加速度计的上极板和下极板接地时，向加速度计施加预载电压。从而便于测试计算，提高测量机械梁刚度的精度。
步骤S12，在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第一预载电压下输出的第一电压变化量，以及在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第二预载电压下输出的第二电压变化量。
其中，在加速度计施加预载电压后，改变加速度计受到的加速度，并采集加速度计在加速度变化前后的输出电压，得到电压变化量。在一个示例中，由于重力加速度一定，加速度计感应的加速度大小，与外界加速度对加速度计的敏感方向有关，外界加速度平行作用于加速度计敏感方向时，加速度计感应的加速度最大，因此可通过改变加速度计在重力场中的放置方位来改变加速度计受到的加速度。在又一个示例中，可利用离心加速度机改变加速度计受到的加速度。
加速度变化的区间(即第一加速度至第二加速度)可根据实际测量时来选择。例如，加速度变化的区间可为0.1个重力加速度至0.2个重力加速度，或者0.3个重力加速度至0.5个重力加速度，又或者0.6个重力加速度至0.9个重力加速度。在一个优选的示例中，在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第一预载电压下输出的第一电压变化量，以及在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第二预载电压下输出的第二电压变化量的步骤中：在加速度计受到的加速度从零加速度变化至一个重力加速度时，获取加速度计在第一预载电压下输出的第一电压变化量；以及在加速度计受到的加速度从零加速度变化至一个重力加速度时，获取加速度计在第二预载电压下输出的第二电压变化量。采用零加速度变换至一个重力加速度的区间，可方便加速度的加载，便于机械梁刚度的测量。
需要说明的是，在加速度或力的作用下，机械梁发生弯曲使得惯性质量块发生位移，并且机械梁的弯曲遵循胡克定律，公式如下：
F＝k×x (1)
其中F为施加在机械梁上的机械力，k为机械梁刚度，x为机械梁在F作用下的位移。
经过物理量转换系统(位移x＝>电容C＝>电压V)，公式(2)可表达为：
ΔV＝x×Kx2c×Kc2V (2)
其中，ΔV表示电压变化量；Kx2c表示位移到电容的转换系数；Kc2V表示电容到电压的转换系数。
步骤S13，根据第一预载电压的第一静电负刚度、第二预载电压的第二静电负刚度、第一电压变化量和第二电压变化量，得到加速度计的机械梁刚度；第一静电负刚度为加速度计在第一预载电压下的机械梁刚度等效减小量；第二静电负刚度为加速度计在第二预载电压下的机械梁刚度等效减小量。
需要说明的是，在测量机械梁刚度时，在加速度计的惯性质量块上加载预载电压后，当惯性质量块在输入加速度的作用下发生位移时，由预载电压引入的静电力会加大惯性质量块的位移，这相当于在惯性质量块上加载预载电压后导致加速度计的机械梁的机械梁刚度减小，因预载电压导致的机械梁刚度等效减小量称之为静电负刚度。
在一个具体实施例中，基于以下公式获取静电负刚度：
其中，ke表示静电负刚度；εr表示介电常数；ε0表示绝对介电常数；A表示加速度计的上极板与下极板的交叠面积；Vref表示预载电压；d0表示加速度计的极板间距。
具体的，根据第一预载电压的第一静电负刚度、第二预载电压的第二静电负刚度、第一电压变化量和第二电压变化量，得到加速度计的机械梁刚度的步骤之前，基于以下公式获取第一静电负刚度：
其中，ke1表示第一静电负刚度；εr表示相对介电常数；ε0表示绝对介电常数；A表示加速度计的上极板与下极板的交叠面积；Vref1表示第一预载电压；d0表示加速度计的极板间距；
基于以下公式获取第二静电负刚度：
其中，ke2表示第二静电负刚度；εr表示相对介电常数；ε0表示绝对介电常数；A表示加速度计的上极板与下极板的交叠面积；Vref2表示第二预载电压；d0表示加速度计的极板间距。
其中，在一个具体的实施例中，如图3所示，根据各预载电压对应的静电负刚度和各电压变化量，得到加速度计的机械梁刚度的步骤，包括：
步骤S131，选取各预载电压中的第一预载电压对应的第一静电负刚度和第一电压变化量，以及第二预载电压对应的第二静电负刚度和第二电压变化量；
步骤S133，根据第一静电负刚度、第一电压变化量、第二静电负刚度和第二电压变化量，得到机械梁刚度。
需要说明的是，在各预载电压中，任意选取两个预载电压分别为第一预载电压和第二预载电压，以及第一预载电压对应的第一静电负刚度和第一电压变化量，以及第二预载电压对应的第二静电负刚度和第二电压变化量。具体的，如图4所示，基于以下步骤获取机械梁刚度：
步骤S41，获取第一电压变化量与第二电压变化量的第一比值；
步骤S43，获取第一比值和第一静电负刚度的乘积与第二静电负刚度的第一差值，并获取第一比值与预设常数的第二差值；
步骤S45，获取第一差值与第二差值的第二比值，并将第二比值作为机械梁刚度。
如图2所示，在加速度计施加预载电压后，惯性质量块受到的静电力为：
其中，Fe表示静电力；Fe1表示上级板对惯性质量块的静电力；Fe2表示Fe1表示下级板对惯性质量块的静电力；Vsinωt表示在上下极板加载的调制电压。
一般地，x<<d0，上式可化简得到，质量块受到的直流静电力为：
Fe＝ke·x (7)
其中ke为静电负刚度。
对惯性质量块进行力分析，依据力平衡，有：
ke·x-kx+ma＝0 (8)
其中，k表示机械梁刚度；m表示惯性质量块的重量；a表示加速度计受到的加速度。
ma＝(k-ke)x (9)
因此，考虑静电负刚度的机械梁弯曲量x可表达为：
联立公式(2)或公式(10)可得：
令R＝m×a×Kx2c×Kc2V，其为比例因子。
因此，在惯性质量块中分别施加第一预载电压和第二预载电压，并依据公式(11)可得到公式(12)：
联立公式(12-1)和公式(12-2)，可得在一个具体的实施例中，根据第一静电负刚度、第一电压变化量、第二静电负刚度和第二电压变化量，得到机械梁刚度的步骤中，基于以下公式获取机械梁刚度：
其中，k表示机械梁刚度；ke1表示第一静电负刚度；ke2表示第二静电负刚度；ΔV1表示第一电压变化量；ΔV2表示第二电压变化。
为了更好地理解本申请电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法，现结合一个实际的应用来说明本申请的方法步骤，具体如下：
第一步，在加速度计的开环检测电路中，引出惯性质量块的电位；
第二步，将加速度计固定于六面体设备上，然后放至于水平固定台面上，给加速度计供电，使其正常工作，其中，六面体设备用于改变加速度计的放置方位；
第三步，调整六面体设备的位置，使得加速度计加速度为0g(g为重力加速度单位)，在加速度计上加载第一预载电压Vref1，采集此时电容式MEMS加速度计输出电压值V01；
第四步，翻转六面体设备，使得加速度计加速度为1g，采集此时电容式MEMS加速度计输出电压值V1；ΔV1＝V1-V01；
第五步，在加速度计上加载第二预载电压Vref2，重复第三步和第四步，记录下相应的输出电压值V02和V2；ΔV2＝V2-V02；
第六步，基于公式(4)和(5)分别获取第一静电负刚度ke1和第二静电负刚度ke2；
第七步，依据公式(13)计算得到电容式MEMS加速度计的机械梁刚度。
本申请电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法的各实施例中，通过分别向加速度计施加至少两个预载电压；获取加速度计在预载电压下，且加速度计受到的加速度从第一加速度变换至第二加速度时输出的电压变化量；根据各预载电压对应的静电负刚度和各电压变化量，得到加速度计的机械梁刚度，其中，静电负刚度为加速度计在预载电压下的机械梁刚度等效减小量，从而，本申请电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法可避免传统测量技术在测量机械梁刚度时因位移电容转换系数、电容电压转换系数、惯性质量块质量等参数对测量精度造成的影响，提高了加速度计的机械梁刚度的测量精度。
应该理解的是，虽然图1、3或4的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1、3或4中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图5所示，还提供了一种电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量装置，包括：
电压施加模块51，用于向加速度计施加预载电压；预载电压包括第一预载电压和第二预载电压；
电压获取模块53，用于在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第一预载电压下输出的第一电压变化量，以及在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第二预载电压下输出的第二电压变化量；
刚度获取模块55，用于根据第一预载电压的第一静电负刚度、第二预载电压的第二静电负刚度、第一电压变化量和第二电压变化量，得到加速度计的机械梁刚度；第一静电负刚度为加速度计在第一预载电压下的机械梁刚度等效减小量；第二静电负刚度为加速度计在第二预载电压下的机械梁刚度等效减小量。
关于电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量装置的具体限定可以参见上文中对于电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法的限定，在此不再赘述。上述电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，如图6所示，还提供了一种电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量系统，包括电压输出设备61、电压采集设备63、加速度加载设备65以及控制处理设备67；
控制处理设备67分别连接电压输出设备61、电压采集设备63和加速度加载设备65；
其中，电压输出设备61用于向加速度计施加预载电压。电压采集设备63用于采集加速度计输出的电压；加速度加载设备65用于向加速度计施加加速度；控制处理设备67用于执行计算机程序时实现如本申请电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法实施例所述的方法的步骤。
需要说明的是，控制处理设备为本申请电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量系统的控制以及数据处理中心。控制处理设备控制电压输出设备向惯性质量块施加不同的预载电压。在一个具体的实施例中，如图7所示，电压输出设备61包括电压芯片611、增益调节器613以及跨接电阻615；电压芯片611连接控制处理设备67，并通过增益调节器613连接跨接电阻615；跨接电阻615用于连接惯性质量块。需要说明的是，增益调节器用于调节电压芯片的输出。
电压采集设备采集加速度计输出的电压，并计算惯性质量块上加速度变化前后的电压变化量，将电压变化量传输给控制处理设备。
加速度加载设备用于给惯性质量块施加加速度，并改变加速度。在一个实施例中，加速度加载设备为离心机或六面体设备。其中，六面体设备为通过改变电容式MEMS加速度计的放置方位来改变惯性质量块与加速度的夹角，从而实现改变加速度计受到的加速度。
控制处理设备用于运行本申请电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法实施例所述的方法的步骤，计算出机械梁刚度。
为了更好地理解本申请电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量系统，现以六面体设备为例，并结合一个实际的应用来说明本申请系统的操作过程，具体如下：
第一步，将加速度计敏感结构的上下极板接地，断开惯性质量块与地电位的连接，惯性质量块通过跨接电阻连接增益调节器，增益调节器连接电压输出设备的输出；
第二步，将加速度计固定在六面体设备上，并将六面体设备放置于水平台面上；
第三步，控制处理设备控制电压输出设备输出5V(伏)的电压，调节增益调节器的增益大小为1/5，向加速度计施加的预载电压为1V；
第四步，控制处理设备控制调整六面体设备的位置，使电容式MEMS加速度计的输入加速度为0g，电压采集设备采集此时电容式MEMS加速度计的输出电压V01＝138.7mV(毫伏)；
第五步，控制处理设备控制六面体设备翻转90°，使电容式MEMS加速度计的输入加速度为1g，电压采集设备采集此时电容式MEMS加速度计的输出电压V1＝262.0mV；并根据ΔV1＝V1-V01，计算出第一电压变化量，传输给控制处理设备；
第六步，控制处理设备控制调节增益调节器的增益大小为1，向加速度计施加的预载电压为5V；
第七步，重复第四步和第五步，分别记录下电压采集设备采集电容式MEMS加速度计在输入加速度为0g和1g时输出电压V02＝146.6mV、V2＝355.4mV；并根据ΔV2＝V2-V02计算出第二电压变化量，传输给控制处理设备；
第八步，控制处理设备运行本申请电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法实施例所述的方法步骤，得到电容式MEMS加速度计的机械梁刚度k＝115.29N/m(牛每米)。
在一个具体的实施例中，提供了一种控制处理设备，其内部结构图可以如图7所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、数据接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据接口用于连接电压输出设备、电压采集设备。该计算机程序被处理器执行时以实现一种电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图7中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
本申请电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量系统的各实施例中，能够方便地向加速度计的惯性质量块施加预载电压，并可方便地改变惯性质量块受到的加速度，从而准确地采集相应电压变化量等相关数据，进而准确地测量机械梁刚度。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
向加速度计施加预载电压；预载电压包括第一预载电压和第二预载电压；
在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第一预载电压下输出的第一电压变化量，以及在加速度计受到的加速度发生变化时，获取加速度计在第二预载电压下输出的第二电压变化量；
根据第一预载电压的第一静电负刚度、第二预载电压的第二静电负刚度、第一电压变化量和第二电压变化量，得到加速度计的机械梁刚度；第一静电负刚度为加速度计在第一预载电压下的机械梁刚度等效减小量；第二静电负刚度为加速度计在第二预载电压下的机械梁刚度等效减小量。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
向加速度计施加预载电压；所述预载电压包括第一预载电压和第二预载电压；
在所述加速度计受到的加速度发生变化时，获取所述加速度计在所述第一预载电压下输出的第一电压变化量，以及在所述加速度计受到的加速度发生变化时，获取所述加速度计在所述第二预载电压下输出的第二电压变化量；
根据所述第一预载电压的第一静电负刚度、所述第二预载电压的第二静电负刚度、所述第一电压变化量和所述第二电压变化量，得到所述加速度计的机械梁刚度；所述第一静电负刚度为所述加速度计在所述第一预载电压下的机械梁刚度等效减小量；所述第二静电负刚度为所述加速度计在所述第二预载电压下的机械梁刚度等效减小量。
2.根据权利要求1所述的电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法，其特征在于，向加速度计施加预载电压的步骤中：
在所述加速度计的上极板和下极板接地时，向所述加速度计施加所述预载电压。
3.根据权利要求1所述的电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法，其特征在于，在所述加速度计受到的加速度发生变化时，获取所述加速度计在所述第一预载电压下输出的第一电压变化量，以及在所述加速度计受到的加速度发生变化时，获取所述加速度计在所述第二预载电压下输出的第二电压变化量的步骤中：
在所述加速度计受到的加速度从零加速度变化至一个重力加速度时，获取所述加速度计在所述第一预载电压下输出的所述第一电压变化量；以及在所述加速度计受到的加速度从零加速度变化至一个重力加速度时，获取所述加速度计在所述第二预载电压下输出的所述第二电压变化量。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法，其特征在于，根据所述第一预载电压的第一静电负刚度、所述第二预载电压的第二静电负刚度、所述第一电压变化量和所述第二电压变化量，得到所述加速度计的机械梁刚度的步骤中，基于以下公式获取所述机械梁刚度：
其中，k表示所述机械梁刚度；ke1表示所述第一静电负刚度；ke2表示所述第二静电负刚度；ΔV1表示所述第一电压变化量；ΔV2表示所述第二电压变化量。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量方法，其特征在于，根据所述第一预载电压的第一静电负刚度、所述第二预载电压的第二静电负刚度、所述第一电压变化量和所述第二电压变化量，得到所述加速度计的机械梁刚度的步骤之前，基于以下公式获取所述第一静电负刚度：
其中，ke1表示所述第一静电负刚度；εr表示相对介电常数；ε0表示绝对介电常数；A表示所述加速度计的上极板与下极板的交叠面积；Vref1表示所述第一预载电压；d0表示所述加速度计的极板间距；
基于以下公式获取所述第二静电负刚度：
其中，ke2表示所述第二静电负刚度；εr表示相对介电常数；ε0表示绝对介电常数；A表示所述加速度计的上极板与下极板的交叠面积；Vref2表示所述第二预载电压；d0表示所述加速度计的极板间距。
6.一种电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量装置，其特征在于，包括：
电压施加模块，用于向加速度计施加预载电压；所述预载电压包括第一预载电压和第二预载电压；
电压获取模块，用于在所述加速度计受到的加速度发生变化时，获取所述加速度计在所述第一预载电压下输出的第一电压变化量，以及在所述加速度计受到的加速度发生变化时，获取所述加速度计在所述第二预载电压下输出的第二电压变化量；
刚度获取模块，用于根据所述第一预载电压的第一静电负刚度、所述第二预载电压的第二静电负刚度、所述第一电压变化量和所述第二电压变化量，得到所述加速度计的机械梁刚度；所述第一静电负刚度为所述加速度计在所述第一预载电压下的机械梁刚度等效减小量；所述第二静电负刚度为所述加速度计在所述第二预载电压下的机械梁刚度等效减小量。
7.一种电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量系统，其特征在于，包括电压输出设备、电压采集设备、加速度加载设备以及控制处理设备；
所述控制处理设备分别连接所述电压输出设备、所述电压采集设备和所述加速度加载设备；
其中，所述电压输出设备用于向加速度计施加预载电压；所述电压采集设备用于采集加速度计输出的电压；所述加速度加载设备用于向所述加速度计施加加速度；所述控制处理设备用于执行所述计算机程序时实现权利要求1至5中任意一项所述方法的步骤。
8.根据权利要求7所述的电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量系统，其特征在于，所述电压输出设备包括电压芯片、增益调节器以及跨接电阻；
所述电压芯片连接所述控制处理设备，并通过所述增益调节器连接所述跨接电阻；所述跨接电阻用于连接所述惯性质量块。
9.根据权利要求7或8所述的电容式MEMS加速度计机械梁刚度测量系统，其特征在于，所述加速度加载设备为离心机或六面体设备。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任意一项所述的方法的步骤。
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