CN110221098A - 硅微谐振式加速度计及其自测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅微谐振式加速度计及其自测试方法，属于传感器技术领域。该硅微谐振式加速度计包括：谐振器、质量块和自测试结构。自测试结构包括至少一个电极对，电极对包括第一电极和第二电极，第一电极与质量块连接，能带动质量块移动，第二电极固定在加速度计的衬底上。自测试结构用于在受到电激励时，生成沿第一方向的静电力，带动质量块产生微位移，使得谐振器输出的谐振频率发生变化，以便根据谐振器的差频以及静电力得到加速度计的标度因数值，并通过比较不同电激励下得到的标度因数值，判断加速度计是否处于正常工作状态。相比于现有技术，有利于降低硅微谐振式加速度计测试的操作复杂程度和测试成本。

Description

硅微谐振式加速度计及其自测试方法

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种硅微谐振式加速度计及其自测试方法。

背景技术

近年来，微加速度计在汽车、地震检测、消费电子、航天等领域得到了广泛的应用。常见的微加速度计按敏感原理的不同可以分为：压阻式、电容式、压电式、谐振式等；按照工艺制造方法可以分为体硅工艺微加速度计和表面工艺微加速度计等；按工作方式可以分为开环和闭环。

谐振式加速度计是一类典型的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)传感器，其基本工作原理是利用的梁的力频特性，通过检测频率变化量获取输入的加速度大小。作为硅微加速度计中的一类，基于微电子机械技术工艺基础发展起来的硅微谐振式加速度计具有体积小、重量轻、测量精度高、稳定性好、直接输出准数字量等特点，已成为微传感器的一个重要发展方向。硅微谐振式加速度计的输出信号为频率信号，是一种准数字信号，不易受到环境噪声的干扰，在传输和处理中也不易出现误差。

传统的MEMS测试需要复杂和昂贵的测试设备，例如MEMS加速度计测试需要施加一个精确的物理激励力或加速度，整个测试过程复杂，测试效率低下且测试成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种硅微谐振式加速度计及其自测试方法，能够有效地改善现有技术中硅微谐振式加速度计的测试过程复杂、测试效率低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明通过本发明的一实施例提供了如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种硅微谐振式加速度计，包括：谐振器、质量块和自测试结构，所述谐振器与所述质量块连接。所述自测试结构包括至少一个电极对，所述电极对包括第一电极和第二电极，所述第一电极与所述质量块连接，能带动所述质量块移动，所述第二电极固定在所述加速度计的衬底上。所述自测试结构用于在受到电激励时，生成沿第一方向的静电力，带动所述质量块产生微位移，使得所述谐振器输出的谐振频率发生变化，以便根据所述谐振器的差频以及所述静电力得到所述加速度计的标度因数值，并通过比较不同所述电激励下得到的所述标度因数值，判断所述加速度计是否处于正常工作状态，其中，所述第一方向为所述谐振器的谐振梁的轴向方向。

进一步地，所述自测试结构包括至少一个电极组，每个所述电极组包括一个所述第一电极和两个所述第二电极。其中，两个所述第二电极沿第一方向对称分布于所述第一电极的两侧，组成两个所述电极对，以在电激励的作用下分别产生大小不同、方向相反的静电力。

进一步地，所述自测试结构包括两个所述电极组，两个所述电极组沿第二方向对称分布于所述质量块的两侧，所述两个所述电极组用于在电激励的作用下分别产生大小、方向均相同的静电力。其中，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。

进一步地，上述硅微谐振式加速度计还包括信号发生电路，所述信号发生电路与所述自测试结构连接，用于为所述自测试结构提供不同的所述电激励。

进一步地，上述硅微谐振式加速度计还包括数据处理器，所述数据处理器与所述谐振器的输出端连接。所述数据处理器用于获取所述自测试结构分别受到不同的电激励时所述谐振器的差频，根据预设的计算模型、所述电激励的电压值以及所获取的所述差频，得到所述不同的电激励下所述加速度计的标度因数值，比较所述不同的电激励下所述加速度计的标度因数值，根据比较结果判断所述加速度计是否处于正常工作状态。

进一步地，所述谐振器为沿第一方向对称分布于所述质量块两侧的双端固定音叉谐振器。

第二方面，本发明还提供了一种硅微谐振式加速度计的测试方法，应用于上述的硅微谐振式加速度计，所述方法包括：分别获取所述加速度计的自测试结构受到不同的电激励时，所述加速度计对应输出的差频；根据预设的计算模型、所述电激励的电压值以及所获取的所述差频，得到所述不同的电激励下所述加速度计的标度因数值；比较所述不同的电激励对应的所述加速度计的标度因数值，根据比较结果判断所述加速度计是否处于正常工作状态。

进一步地，所述比较所述不同的电激励对应的所述加速度计的标度因数值，根据比较结果判断所述加速度计是否处于正常工作状态的步骤，包括：判断所述不同的电激励下得到的所述标度因数值的变化量是否小于预设阈值，若小于所述预设阈值，则判定所述加速度计处于正常工作状态，否则判定所述加速度计处于异常工作状态。

进一步地，所述计算模型为：

其中，S表示所述标度因数；Δf表示所述差频；F_q表示所述加速度计的质量块受到的静电力，为预设的关于所述电激励的电压值的函数。

进一步地，所述电激励包括直流电压信号和交流电压信号。

本发明提供的技术方案中，通过硅微谐振式加速度计上设置的自测试结构，实现该硅微谐振式加速度计的内建自测试。具体测试过程为：在自测试结构上施加电激励，自测试结构在受到电激励的时，生成静电力带动质量块产生微位移，使得谐振器输出的谐振频率发生变化，得到谐振器的差频，根据谐振器的差频以及静电力得到加速度计的标度因数值，通过比较不同电激励下得到的标度因数值，判断加速度计是否处于正常工作状态。相比于现有技术，有效的降低了硅微谐振式加速度计测试的操作复杂程度和测试成本，同时也避免了外部测试环境对硅微谐振式加速度计的干扰，改善了现有技术中硅微谐振式加速度计的测试过程复杂、测试效率低的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例提供的一种硅微谐振式加速度计的第一种结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的一种硅微谐振式加速度计的第二种结构示意图；

图3为本发明第一实施例提供的一种硅微谐振式加速度计的第三种结构示意图；

图4为本发明第二实施例提供的一种硅微谐振式加速度计的测试方法的方法流程图。

其中，附图标记分别为：

硅微谐振式加速度计10；质量块100；谐振器110；谐振梁101；驱动梳齿102；检测梳齿103；电极对120；第一电极201；第二电极202；电极组121；锚点130。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

请参照图1，本发明第一实施例提供了一种硅微谐振式加速度计。如图1所示，该硅微谐振式加速度计10包括：谐振器110、质量块100和自测试结构。谐振器110与质量块100连接。

为了提高加速度计的灵敏度，同时抑制谐振器110的共模误差，本实施例提供的加速度计包括两个谐振器110，两个谐振器110分别位于质量块100的两侧形成差动结构。作为一种可选的实施例，谐振器110可以采用双端固定音叉(Double-ended Tuning Fork，DETF)谐振器，两个DETF谐振器沿第一方向对称分布于质量块100的两侧，如图1所示。DETF谐振器包括谐振梁101和梳齿结构，梳齿结构包括驱动梳齿102和检测梳齿103。可以理解的是，上述第一方向即为谐振梁101的轴向方向，也为质量块100的轴向方向。

当然，除了上述结构外，硅微谐振式加速度计10还包括其他的现有结构，如衬底、锚点130、驱动电路、差分电路等，具体结构和连接关系可以参照现有的硅微谐振式加速度计10，本发明实施例中不做详述。

本实施例中，自测试结构包括至少一个电极对120，每个电极对120包括第一电极201和第二电极202。第一电极201与质量块100连接，能带动质量块100移动，第二电极202固定在加速度计的衬底上。也就是说，第一电极201为可移动电极，第二电极202为固定电极。自测试结构用于在受到电激励时，生成沿第一方向的静电力，带动质量块100产生微位移。当对自测试结果施加电激励时，自测试结构将受到的电学激励转化为静电力，带动质量块100产生沿第一方向的微位移，使得谐振器110输出的谐振频率发生变化，通过差分电路处理得到谐振器110的差频，根据谐振器110的差频以及该静电力可以得到加速度计的标度因数值。通过比较不同电激励下得到的标度因数值，判断加速度计是否处于正常工作状态。

本实施例中，第一电极201和第二电极202的形状、尺寸、第一电极201和第二电极202之间的间距以及第一电极201和第二电极202之间交叠的长度可以根据实际需要设计，例如，可以设计为梳齿状电极、长条形电极等。需要说明的是，图1中的第一电极201和第二电极202形状以长条形电极为示例，不限制第一电极201和第二电极202的形状。可以理解的是，自测试结构还包括有对应于每个第一电极201和第二电极202的信号输入端，用于连接外部电源装置以给每个第一电极201和第二电极202输入电激励。

自测试结构所包括的电极对120的具体数量可以根据需要设计，可以包括一个电极对120，也可以包括多个电极对120。

例如，如图1所示，自测试结构包括一个电极对120时，即包括一个第一电极201和一个第二电极202。基于图1的方位关系，第一电极201可以连接质量块100在第一方向上的中间位置，第二电极202可以设置在第一电极201的左侧或右侧。此时，在该电极对120上施加特定大小的电激励，该电极对120将产生沿谐振梁101轴向方向的静电力，带动质量块100产生微位移，从而对本加速度计的输出响应产生定量的影响。当然，该电极对120产生的静电力的具体方向与第一电极201和第二电极202的相对位置关系有关。

为了便于控制自测试结构产生的静电力的方向，作为一种可选的实施例，自测试结构可以包括至少一个电极组121，每个电极组121包括一个第一电极201和两个第二电极202。其中，两个第二电极202沿第一方向对称分布于第一电极201的两侧，组成两个电极对120，以在电激励的作用下分别产生大小不同、方向相反的静电力。也就是说，每个电极组121包括两个电极对120，且为了简化自测试结构的设计，这两个电极对120共用一个第一电极201。

需要说明的是，两个第二电极202沿第一方向对称分布于第一电极201的两侧为本实施例中自测试结构的一种较优选的实施方式，于本实施例的其他实施方式中，在自测试结构能够生成沿第一方向的静电力，带动质量块100产生微位移的基础上，两个第二电极202也可以为其他的设置方式。

具体的，自测试结构所包括的电极组121的数量可以根据需要设计。例如，如图2所示，自测试结构包括一个电极组121时，基于图2的方位关系，该电极组121可以设置于质量块100的上方，也可以设置于质量块100的下方。假设该电极组121可以设置于质量块100的上方，第一电极201可以连接质量块100在第一方向上的中间位置，两个第二电极202对称分布于第一电极201的左侧和右侧，如图2所示。此时，若将第一电极201接地，在位于第一电极201左侧的第二电极202上施加电压值为V₁＝V_d+V_psin(ωt)的电压信号，在位于第一电极201右侧的第二电极202上施加电压值为V₂＝V_d-V_psin(ωt)的电压信号。此时，位于第一电极201左侧的第二电极202对第一电极201的静电力向左，位于第一电极201右侧的第二电极202对第一电极201的静电力向右，这两个大小不同、方向相反的静电力的合力将带动质量块100产生一个微位移，从而对本加速度计的输出响应产生定量的影响。

综合考虑自测试结构的简化以及所能产生的静电力大小，作为一种较佳的实施例，自测试结构包括两个电极组121，沿第二方向对称分布于质量块100的两侧，如图3所示。其中，第二方向为图3中垂直于谐振梁轴向的方向，即第二方向与上述的第一方向相互垂直。也就是说，基于图3的方位关系，两个电极组121对称分布于质量块100的上方和下方，用于在电激励的作用下分别产生大小、方向均相同的静电力。

此时，若将每个电极组121中的第一电极201均接地，在每个电极组121中位于第一电极201左侧的第二电极202上均施加电压值为V₁＝V_d+V_psin(ωt)的电压信号，在每个电极组121中位于第一电极201右侧的第二电极202上均施加电压值为V₂＝V_d-V_psin(ωt)的电压信号。其中，V_d为所施加电激励中直流成分的电压值，V_p为所施加电激励中交流成分的电压幅值，ω为所施加电激励中交流成分的角频率。此时，每个电极组121中位于第一电极201左侧的第二电极202对第一电极201的静电力向左，位于第一电极201右侧的第二电极202对第一电极201的静电力向右，使得第一电极201受到一个静电力合力。由于两个电极组121对称分布于质量块100的上方和下方，两个电极组121对质量块100产生的静电力大小相等、方向相同。两个电极组121所产生的静电力将带动质量块100产生一个微位移，从而对本加速度计的输出响应产生定量的影响。

需要说明的是，两个电极组121沿第二方向对称分布于质量块100的两侧为本实施例中自测试结构的一种较优选的实施方式，于本实施例的其他实施方式中，在自测试结构能够生成沿第一方向的静电力，带动质量块100产生微位移的基础上，两个电极组121也可以为其他的设置方式。

为了方便在芯片内部为自测试结构提供电激励，作为一种可选的实施例，本实施例提供的硅微谐振式加速度计10还包括信号发生器电路(图中未示出)。信号发生器电路与自测试结构连接，用于为自测试结构提供不同的电激励。需要说明的是，信号发生器电路既可以提供交流电压信号，又可以提供直流电压信号，并且所输出的交流电压大小、频率以及直流电压的大小可以根据需要调节。具体的，可以采用现有的信号发生器的电路结构。

需要说明的是，对于不包括信号发生器电路的硅微谐振式加速度计10，则需要通过外设的信号发生器为自测试结构提供不同电激励。

另外，作为一种可选的实施例，本实施例提供的硅微谐振式加速度计10还包括数据处理器(图中未示出)，数据处理器与谐振器110的输出端连接。数据处理器用于获取自测试结构分别受到不同的电激励时谐振器110的差频，根据预设的计算模型、电激励的电压值以及所获取的差频，得到不同的电激励下加速度计的标度因数值，比较不同的电激励下加速度计的标度因数值，根据比较结果判断加速度计是否处于正常工作状态。这样就可以直接在加速度计内得到加速度计的测试结果。

本实施例中，数据处理器可以包括单片机、DSP、ARM或FPGA等具有数据处理功能的芯片。

需要说明的是，对于不包括上述数据处理器的硅微谐振式加速度计10，则需要通过将硅微谐振式加速度计10连接外设的计算机或其他具有信号处理能力的集成电路芯片。通过计算机或其他具有信号处理能力的集成电路芯片获取自测试结构分别受到不同的电激励时谐振器110的差频，根据预设的计算模型、电激励的电压值以及所获取的差频，得到不同的电激励下加速度计的标度因数值，比较不同的电激励下加速度计的标度因数值，根据比较结果判断加速度计是否处于正常工作状态。

本发明实施例提供的硅微谐振式加速度计10，通过硅微谐振式加速度计10上设置的自测试结构，可以将施加到自测试结构上的电学激励转化为物理激励，带动质量块100产生一个微位移，从而对加速度计的输出响应产生定量的影响，以便于实现该硅微谐振式加速度计10的内建自测试，有利于避免外部测试环境对硅微谐振式加速度计10的干扰，对谐振式加速度计的结构缺陷和输出响应进行片内分析，降低硅微谐振式加速度计10测试的操作复杂程度和测试成本。具体的测试方法将在以下的第二实施例中进行详述。

另外，请参阅图4，本发明第二实施例还提供了一种硅微谐振式加速度计的测试方法，应用于上述第一实施例提供的硅微谐振式加速度计10。如图4所示，所述方法包括：

步骤S401，分别获取所述加速度计的自测试结构受到不同的电激励时，所述加速度计对应输出的差频；

谐振式加速度计的基本工作原理是利用梁的力频特性，通过检测频率变化量获取输入的加速度大小，其输出信号为频率信号。

当在硅微谐振式加速度计的自测试结构上输入电压信号时，自测试结构将产生静电力作用于质量块上，带动质量块产生微位移，从而使得两个对称分布的谐振器分别受到张力和压力，它们的谐振频率分别增大和减小，经过信号差分处理，可以得到它们的差频。

相应地，在硅微谐振式加速度计的自测试结构上分别输入不同的电压信号时，硅微谐振式加速度计将对应输出不同的差频。

需要说明的是，为了确保所施加的电激励能够被自测试结构转化为足以带动质量块产生微位移的静电力，所施加的电激励的电压值需要高于一个预设的下限值。另外，为了确保自测试结构产生的静电力带动质量块产生微位移不超过对应的第一电极和第二电极之间的间距，所施加的电激励的电压值需要低于一个预设的上限值。也就是说，施加到自测试结构的电激励的电压值位于一个预设范围内。该预设范围的下限值和上限值可以根据理论分析和结构仿真得到。

此外，本实施例中，所施加到自测试结构的电激励包括直流电压信号和交流电压信号。例如，对于图3所示的硅微谐振式加速度计，可以将每个电极组中的第一电极均接地，在每个电极组中位于第一电极左侧的第二电极上均施加电压值为V₁＝V_d+V_psin(ωt)的电压信号，在每个电极组中位于第一电极右侧的第二电极上均施加电压值为V₂＝V_d-V_psin(ωt)的电压信号。

步骤S402，根据预设的计算模型、所述电激励的电压值以及所获取的所述差频，得到所述不同的电激励下所述加速度计的标度因数值；

硅微谐振式加速度计的标度因数为两个谐振器输出频率的差值，即差频与质量块的加速度的比值。作为一种实施方式，标度因数可以等效表示为硅微谐振式加速度计输出的差频与作用在质量块上的静电力的比值，因此，步骤S402中的计算模型可以为：

其中，S表示标度因数；Δf表示差频；F_q表示硅微谐振式加速度计的质量块受到的静电力，为预设的关于自测试结构上所施加的电激励的电压值的函数。

例如，对于图3所示的硅微谐振式加速度计，当将每个电极组中的第一电极均接地，在每个电极组中位于第一电极左侧的第二电极上均施加电压值为V₁＝V_d+V_psin(ωt)的电压信号，在每个电极组中位于第一电极右侧的第二电极上均施加电压值为V₂＝V_d-V_psin(ωt)的电压信号时，其中，ε为第一电极和第二电极的介电常数，h₁为第一电极和第二电极的厚度，d为每个电极组中位于第一电极左侧的第二电极与第一电极之间的间距，V_d为所施加电激励中直流成分的电压值，V_p为所施加电激励中交流成分的电压幅值，ω为所施加电激励中交流成分的角频率。

步骤S403，比较所述不同的电激励对应的所述加速度计的标度因数值，根据比较结果判断所述加速度计是否处于正常工作状态。

硅微谐振式加速度计的标度因数在其量程范围内是一个定值，因此，本实施例通过分析加速度计的标度因数是否在误差允许的范围内变化，判断加速度计是否正常工作。

本实施例中，所述比较所述不同的电激励对应的所述硅微谐振式加速度计的标度因数值，根据比较结果判断所述加速度计是否处于正常工作状态的步骤，包括：判断所述不同的电激励下得到的所述标度因数值的变化量是否小于预设阈值，若小于所述预设阈值，则判定所述加速度计处于正常工作状态，否则判定所述加速度计处于异常工作状态。

可以理解的是，由于环境的影响，硅微谐振式加速度计的灵敏度会在一个误差允许的范围内波动。因此，可以根据多次试验得到标度因数的误差阈值，将该误差阈值作为预设阈值。

作为一种实施方式，在步骤S401中，可以分别获取所述硅微谐振式加速度计的自测试结构在受到两组不同的电激励后，所述硅微谐振式加速度计对应输出的差频分别Δf₁和Δf₂；然后在步骤S402中得到这两组不同的电激励下，硅微谐振式加速度计的标度因数值分别为S₁和S₂；接着在步骤S403中得到这两个标度因数值S₁和S₂的差值的绝对值|S₁-S₂|，并将|S₁-S₂|与预设阈值进行比较，当|S₁-S₂|小于预设阈值时，则判定硅微谐振式加速度计处于正常工作状态，否则，则判定硅微谐振式加速度计处于异常工作状态。

作为另一种实施方式，在步骤S401中，可以分别获取所述硅微谐振式加速度计的自测试结构在受到M组不同的电激励后，其中，M为大于2的整数，所述硅微谐振式加速度计对应输出的差频分别为Δf₁、Δf₂、…、Δf_M；然后在步骤S402中得到这M组不同的电激励下，硅微谐振式加速度计的标度因数值分别为S₁、S₂、…、S_M；接着在步骤S403中得到这M个标度因数值中两两之间的差值的绝对值，进而对这些差值的绝对值求平均，得到平均值，将该平均值与预设阈值进行比较，当平均值小于预设阈值时，则判定硅微谐振式加速度计处于正常工作状态，否则，则判定硅微谐振式加速度计处于异常工作状态。

实际应用中，可以根据需要设置需要施加的不同电激励的组数，即M的具体值，例如，M可以为3或4。需要说明的是，当M大于5时，得到不同电激励下硅微谐振式加速度计的标度因数值后，可以先去掉这些标度因数值中的最大值和最小值，再计算剩余标度因数值中两两之间的差值的绝对值，进而对这些差值的绝对值求平均，得到平均值，将该平均值与预设阈值进行比较，当平均值小于预设阈值时，则判定硅微谐振式加速度计处于正常工作状态，否则，则判定硅微谐振式加速度计处于异常工作状态。

为了便于更清楚地理解本发明实施例提供的硅微谐振式加速度计及其自测试方法的技术方案，下面将以图3所示的硅微谐振式加速度计为示例，对硅微谐振式加速度计的自测试原理进行说明。为了便于描述，在图3中以任意点为原点O、以谐振梁的轴向方向为x轴方向建立了二维直角坐标系，此时，x轴方向即为上述第一实施例中的第一方向，y轴方向即为第二方向。

首先，硅微谐振式加速度计的工作原理为：质量块在加速度作用下产生惯性力(F＝ma)，两个对称分布的DETF分别受到张力和压力，它们的谐振频率分别增大和减小，经过信号差分处理，可以得到它们的差频。在一定输入加速度范围内，差频值与输入的加速度值成正比。

其中，DETF谐振器工作模态的固有频率为：

式(1)中，M_eff和K_eff分别为DETF结构的等效质量和等效刚度，其计算公式分别为：

其中，

式(2)、(3)、(4)、(5)中，ρ、E分别为常温下硅的密度和杨氏模量，I为理想条件下音叉振梁的二次截面矩，h、w、L、A依次为音叉振梁的厚度、宽度、长度和面积，φ(x)为双端固支梁的一阶振动函数，m_s为梳齿结构的等效质量。将式(2)、(3)、(4)、(5)代入式(1)，可以得到无轴向力作用时谐振器的固有频率为：

式(6)中，A_l、A_s分别为谐振梁和梳齿结构的等效面积。

硅微谐振式加速度计的质量块在加速度a的作用下产生惯性力F，使得DETF谐振器的谐振频率发生变化，变化后的谐振频率f可以表示为：

此时，在轴向力作用下，两个DETF谐振器的谐振频率的差值，即差频Δf为：

将式(8)运用泰勒公式展开并略去高次项得：

式(9)中的第一项反应了加速度计的标度因数，如果不考虑非线性项的影响，则有：

基于此，硅微谐振式加速度计的标度因数S可以表示为：

由式(11)可知，硅微谐振式加速度计的标度因数S在其量程范围内是一个定值。因此，判断加速度计是否正常工作的标准可以是分析加速度计的标度因数是否在误差允许的范围内变化。

式(11)中，m表示硅微谐振式加速度计的质量块的质量。在自测试过程中，标度因数可以等效为两个DETF谐振梁的差频与带动质量块移动的静电力的比值。基于此，可以分组对加速度计的自测试结构上施加不同的电压信号，可以得到不同偏压条件下的加速度计的标度因数，分析不同偏压条件下标度因数的差值是否小于预设阈值，即判断该差值是否处于误差允许的范围内，从而判断硅微谐振式加速度计是否处于正常工作状态。

具体的，可以将硅微谐振式加速度计的自测试结构简化为差动电容进行分析，将每个电极组中的第一电极均接地，在每个电极组中位于第一电极左侧的第二电极上均施加电压值为V₁＝V_d+V_psin(ωt)的电压信号，在每个电极组中位于第一电极右侧的第二电极上均施加电压值为V₂＝V_d-V_psin(ωt)的电压信号。硅微谐振式加速度计处于工作状态时，DETF谐振器工作将带动第一电极在y轴方向有一个微位移Δy，此时，对每个电极组中位于第一电极左侧的第二电极与第一电极之间受力关系进行分析，分析结果如下：

式(12)中，C₁为每个电极组中位于第一电极左侧的第二电极与第一电极之间的电容，ε₀为真空介电常数，l为第二电极与第一电极之间交叠的长度，Δy为第一电极在y方向上的微小位移，h₁为第一电极和第二电极的厚度，d为每个电极组中位于第一电极左侧的第二电极与第一电极之间的间距。则每个电极组中位于第一电极左侧的第二电极与第一电极组成的电容的储能为：

由于电容间静电力是电容储能的梯度，则每个电极组中位于第一电极左侧的第二电极与第一电极组成的电容产生的静电力大小为：

电容极板之间是相互吸引的关系，每个电极组中位于第一电极左侧的第二电极对相应的第一电极的静电力向左。同理，每个电极组中位于第一电极右侧的第二电极对相应的第一电极的静电力向右，且该静电力大小为：

因此，每个电极组中的第一电极所受静电力合力为：

由于图3所示的自测试结构是一个y轴对称的结构，质量块上方和下方的电极组对质量块产生的静电力大小相等、方向相同，则质量块在测试电压下所受的静电力为：

将式(17)代入式(11)可以得到，带有自测试结构的硅微谐振式加速度计的标度因数S为：

基于上述分析，对硅微谐振式加速度计的自测试结构分别施加两组不同的电激励，可以分别得到两组电激励条件下的标度因数值S和S′。需要说明的是，由于环境的影响，硅微谐振式加速度计的灵敏度会在一个误差允许的范围内波动。

因此，进一步对自测试结构施加电压值不同于上述电压V₁和V₂的测试电压V₁′和V₂′，可以得到不同的静电力F′，从而得到标度因数值S′：

计算S与S′之间的差值：

δ＝|S-S′| (20)

根据多次试验，设定一个误差阈值δ_T，当δ<δ_T时，说明硅微谐振式加速度计正常工作；否则说明硅微谐振式加速度计出现故障。

本发明实施例提供的硅微谐振式加速度计测试方法，先分别获取硅微谐振式加速度计的自测试结构受到不同的电激励时，硅微谐振式加速度计对应输出的差频；然后根据预设的计算模型、电激励的电压值以及所获取的差频，得到不同的电激励下硅微谐振式加速度计的标度因数值；接着比较不同的电激励对应的硅微谐振式加速度计的标度因数值，判断加速度计是否处于正常工作状态。相比于现有技术，避免了外部测试环境对硅微谐振式加速度计的干扰，对谐振式加速度计的结构缺陷和输出响应进行片内分析，有效的降低了硅微谐振式加速度计测试的操作复杂程度和测试成本，改善了现有技术中硅微谐振式加速度计的测试过程复杂、测试效率低的技术问题。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种硅微谐振式加速度计，其特征在于，包括：谐振器、质量块和自测试结构，所述谐振器与所述质量块连接；

所述自测试结构包括至少一个电极对，所述电极对包括第一电极和第二电极，所述第一电极与所述质量块连接，能带动所述质量块移动，所述第二电极固定在所述加速度计的衬底上；

所述自测试结构用于在受到电激励时，生成沿第一方向的静电力，带动所述质量块产生微位移，使得所述谐振器输出的谐振频率发生变化，以便根据所述谐振器的差频以及所述静电力得到所述加速度计的标度因数值，并通过比较不同所述电激励下得到的所述标度因数值，判断所述加速度计是否处于正常工作状态，其中，所述第一方向为所述谐振器的谐振梁的轴向方向。

2.根据权利要求1所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述自测试结构包括至少一个电极组，每个所述电极组包括一个所述第一电极和两个所述第二电极；

其中，两个所述第二电极沿所述第一方向对称分布于所述第一电极的两侧，组成两个所述电极对，以在电激励的作用下分别产生大小不同、方向相反的静电力。

3.根据权利要求2所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述自测试结构包括两个所述电极组，两个所述电极组沿第二方向对称分布于所述质量块的两侧，所述两个所述电极组用于在电激励的作用下分别产生大小、方向均相同的静电力，其中，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。

4.根据权利要求1所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于，还包括信号发生电路，所述信号发生电路与所述自测试结构连接，用于为所述自测试结构提供不同的所述电激励。

5.根据权利要求1所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于，还包括数据处理器，所述数据处理器与所述谐振器的输出端连接；

所述数据处理器用于获取所述自测试结构分别受到不同的电激励时所述谐振器的差频，根据预设的计算模型、所述电激励的电压值以及所获取的所述差频，得到所述不同的电激励下所述加速度计的标度因数值，比较所述不同的电激励下所述加速度计的标度因数值，根据比较结果判断所述加速度计是否处于正常工作状态。

6.根据权利要求1所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述谐振器为沿所述第一方向对称分布于所述质量块两侧的双端固定音叉谐振器。

7.一种硅微谐振式加速度计的测试方法，其特征在于，应用于权利要求1-6中任一项所述的硅微谐振式加速度计，所述方法包括：

分别获取所述加速度计的自测试结构受到不同的电激励时，所述加速度计对应输出的差频；

根据预设的计算模型、所述电激励的电压值以及所获取的所述差频，得到所述不同的电激励下所述加速度计的标度因数值；

比较所述不同的电激励对应的所述加速度计的标度因数值，根据比较结果判断所述加速度计是否处于正常工作状态。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述比较所述不同的电激励对应的所述加速度计的标度因数值，根据比较结果判断所述加速度计是否处于正常工作状态的步骤，包括：

判断所述不同的电激励下得到的所述标度因数值的变化量是否小于预设阈值，若小于所述预设阈值，则判定所述加速度计处于正常工作状态，否则判定所述加速度计处于异常工作状态。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述计算模型为：

其中，S表示所述标度因数；Δf表示所述差频；F_q表示所述加速度计的质量块受到的静电力，为预设的关于所述电激励的电压值的函数。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电激励包括直流电压信号和交流电压信号。