CN111077344A - 一种加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种加速度传感器，包括：敏感质量、弹簧结构、定电极极板、动电极极板以及外部封装结构；所述敏感质量位于所述外部封装结构的内部，所述弹簧结构将所述敏感质量与外部封装结构连接，所述敏感质量在所述弹簧结构的约束下受外界力的作用而运动；所述定电极极板固定于外部封装结构的内侧；所述动电极极板固定于所述敏感质量的顶部；每个动电极极板与两个定电极极板位置对应，组成一组电极极板；所述动电极极板的平面呈半正弦结构，使得所述敏感质量在平行所述定极板电极所在平面的方向的位移变化对应为动电极极板上感应电压的相位变化。本发明可以获取高精度、大动态范围加速度传感器。

Description

一种加速度传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，更具体地，涉及一种加速度传感器。
背景技术
目前国内外技术上较成熟的高精度加速度测量机理主要是基于电容微位移传感检测。由于电容位移检测方法的限制，传统的电容位移传感机制很难在保持高精度的同时满足大动态范围的需求。同时，由于电容位移检测方法同时会受电极极板面积和极板间距的影响，交叉轴影响在大动态范围下测量也非常明显。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决传统的电容位移传感机制受交叉轴影响非常明显的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种加速度传感器，包括：敏感质量、弹簧结构、定电极极板、动电极极板以及外部封装结构；
所述敏感质量位于所述外部封装结构的内部，所述弹簧结构将所述敏感质量与外部封装结构连接，所述敏感质量在所述弹簧结构的约束下受外界力的作用而运动；
所述定电极极板固定于外部封装结构的内侧；所述动电极极板固定于所述敏感质量的顶部；每个动电极极板与两个定电极极板位置对应，组成一组电极极板；所述动电极极板的平面呈半正弦结构，使得所述敏感质量在平行所述定极板电极所在平面的方向的位移变化对应为动电极极板上感应电压的相位变化。
在一个可选地实施例中，所述敏感质量在平行所述定极板电极所在平面的方向的位移变化可分为两个自由度方向的位移变化；所述定电极极板呈矩形，则所述两个自由度方向分别为所述矩形的短边方向和长边方向；
所述矩形的长边方向对应所述动极板电极半正弦结构的峰长方向，所述矩形的短边方向对应所述动极板电极半正弦结构的峰宽方向；
所述矩形的长边的长度大于或等于所述动极板电极的半正弦结构的峰长的1.5倍，使得所述敏感质量在所述长边方向的位移变化不影响所述动电极极板上感应电压的相位。
在一个可选地实施例中，所述敏感质量在所述短边方向的位移Δx对应的动电极极板上的一种感应电压Vsin的表达式为：Vsin＝Asin(ωt+Δx·π/l)；其中，A为定电极极板电压的幅值，l为所述半正弦结构的峰宽，ω为定极板上所加电压的角频率。
在一个可选地实施例中，每组电极极板中动电极极板与两个定电极极板位置对应关系可以为如下三种情况之一：
第一种情况：动电极极板正对着两个定电极极板中左边的定电极极板；
第二种情况：动电极极板与两个定电极极板呈轴对称放置；
第三种情况：动电极极板正对着两个定电极极板中右边的定电极极板。
在一个可选地实施例中，所述加速度传感器可包括多组电极极板，所述多组电极极板呈所述三种情况分布；
所述第一种情况下的动极板电极上的感应电压的相位与第二种情况下的动极板电极上的感应电压的相位相差90度；
所述第二种情况下的动极板电极上的感应电压的相位与第三种情况下的动极板电极上的感应电压的相位相差90度；
所述第一种情况下的一组电极极板与第二种情况下的一组电极极板可组合为一种相邻的两组电极极板组合；
所述第二种情况下的一组电极极板与第三种情况下的一组电极极板可组合为另一种相邻的两组电极极板组合；
所述相邻的两组电极极板组合对应的相邻定极板上所加的电压分别为Asin(ωt)、-Asin(ωt)和Acos(ωt)、-Acos(ωt)；
上述两种相邻的两组电极极板组合对应的两个动电极极板上的感应电压之和Vsum与敏感质量位移变化Δx的表达式为：
Figure BDA0002347032670000031
Figure BDA0002347032670000032
通过解调得到输出信号Vout＝0.5Acos(Δx·π/W)。
在一个可选地实施例中，所述外部封装结构包括：上盖和下盖；
所述上盖位于敏感质量的上方，所述定极板电极固定于上盖的底部；
所述下盖位于敏感质量的下方。
在一个可选地实施例中，该加速度传感器还包括：加速度检测结构；
所述加速度检测结构通过电路检测每组电极极板对应的动电极极板输出的电压，并从中确定整个动电极极板的输出电压，以从整个动电极极板的输出电压的相位变化中解调出所述敏感质量的位移变化以确定外界力对应的加速度。
在一个可选地实施例中，该加速度传感器还包括：信号处理单元；所述信号处理单元通过过零比较器判断电路相位的变化是否跨越一个相邻定电极极板的周期以及跨越周期的数目，从而得出完整的动极板电压相位变化。
在一个可选地实施例中，所述弹簧结构可采用正刚度弹簧和负刚度弹簧配合以降低系统固有频率。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种加速度传感器，通过将动极板设置成半正弦结构，使得敏感质量在平行定极板电极所在平面的方向的位移变化对应为动电极极板上感应电压的相位变化，由于敏感质量位移的变化对应为动电极上感应电压相位的变化，而垂直于极板平面方向的加速度只会导致动电极极板和定电极极板间距的改变，从而导致动电极感应电压幅值的改变而感应电压的相位不会改变。通过输出电压的相位来得出沿着敏感轴方向的输入加速度，可以有效抑制沿着交叉轴方向的加速度输入对测量结果的影响。
在实际测量中，交叉轴方向的加速度输入会对测量结果造成较大影响，进一步地，本发明通过将定极板的长度设置为动极板半正弦峰长的1.5倍以上，从而减少了沿着长边方向输入加速度的影响。更为重要的是，由于本发明通过动极板电极上感应电压的相位得出敏感轴方向输入加速度的大小，而垂直极板平面的加速度导致的定电极极板与动电极极板间距的改变不会影响输出电压相位的变化，因此该方向的加速度输入也不会影响测量的结果，极大避免了交叉轴对结果的影响。
本发明提供一种加速度传感器，当外界输入加速度较小时，检验质量上的动极板的运动范围只在一个定电极极板周期范围之内，可以由输出电压的相位直接得出检验质量的位移，进而得出输入加速度。通过相敏锁相放大器的高精度检测特性，选择合适刚度的弹簧和检验质量，可以做到对加速度高精度的测量。当外界输入加速度较大时，检验质量上的动电极极板会进入相邻的定电极极板周期，通过过零点比较方法检测跨电极极板的相位周期移动个数，在敏感质量块上再增加一组动电极极板与另一组相差1/2个定电极极板周期的位置，从而使得全动态范围内，加速度的检测保持最佳的灵敏度，结合跨周期个数和两组动极板数据，即得到了高精度、大动态范围的加速度测量。
附图说明
图1为本发明提供的加速度传感器结构示意图；
图2(a)为本发明提供的一组动极板电极和定极板电极的第一种位置对应关系仰视结构示意图；
图2(b)为本发明提供的一组动极板电极和定极板电极的第二种位置对应关系仰视结构示意图；
图2(c)为本发明提供的一组动极板电极和定极板电极的第三种位置对应关系仰视结构示意图；
图3为本发明提供的单组阵列电极极板信号流程示意图；
图4为本发明提供的实例加速度传感器示意图；
图5为本发明提供的两级精度检测加速度信号示意图。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供一种加速度传感器，可以使得该加速度传感器实现高精度、大动态范围加速度测量，同时抑制非敏感轴干扰。
本发明提供一种加速度传感器，采用如下技术方案：
所述加速度传感器，其结构包括弹簧-质量系统单元、敏感探头封装单元、载波激励发生器单元、相敏检测单元、跨极板检测单元、信号逻辑处理单元和加速度输出单元，其中：
所述弹簧-质量系统单元由敏感质量块和弹簧组成，根据胡克定律将目标加速度信号转换成敏感质量位移信号。敏感质量表层附着空间调制的阵列电极极板图样，组成动极板。所述敏感探头封装单元附着空间调制的阵列电极极板图样，组成定极板。所述动极板电极和定极板电极组成平行正对阵列极板结构。所述载波激励发生器单元产生时域调制信号。所述载波激励信号作用于所述定极板电极极板，在所述动极板空间区域形成匀速移动的均匀电场。
由于电场耦合作用，在所述动极板电极上会生成电场耦合信号。在目标加速度的作用下，敏感质量会产生相应的位移
Figure BDA0002347032670000061
同时，由于空间调制的动极板阵列电极运动在定极板阵列电极产生的、时域调制的、匀速移动的电场中，敏感质量的位移最终转换为一组动极板上感应电压的变化
Figure BDA0002347032670000062
和
Figure BDA0002347032670000063
将两动电极极板上电压信号通过加法器相加可得Vsum＝Vsin+Vcos＝Asin(ωt+Δx·π/l)，即目标加速度信号调制到频率为ω/2π的载波上。所述相敏检测单元用于锁相放大的解调，将所述调制目标加速度信号的载波Vsum和参考载波进行解调，敏感质量的位移就被解调出来Vout＝0.5Acos(Δx·π/l)。所述跨极板检测单元用于计算敏感质量位移经过的阵列电极极板相位变化的整周期数，即，所述调制目标加速度信号的载波Vout变化了多少个周期。
其中，Δa、Δx、ω0、m和k分别为敏感轴向加速度、质量块位移、弹簧-质量系统的固有频率、质量块的质量和弹簧有效弹性系数。A为定电极极板电压的幅值，l为所述半正弦结构的峰宽，ω为定极板上所加电压的角频率。
所述信号逻辑处理单元用于根据所述跨极板检测单元的相位变化整周期数和所述相敏检测单元的单周期内相位变化合成加速度传感输出信号。所述加速度输出单元根据加速度传感器应用需求，对加速度检测输出信号进行相应的接口信号处理。
可选地，所述弹簧-质量系统采用MEMS(微机电系统)深硅刻蚀技术实现。
可选地，所述硅基弹簧可采用正刚度弹簧和负刚度弹簧配合以降低系统固有频率。
可选地，所述动极板空间调制的阵列电极极板图样采用电镀技术实现。
可选地，所述定极板空间调制的阵列电极极板图样采用电镀技术实现。
可选地，所述定极板电极极板图样为矩形阵列。
可选地，所述动极板电极极板图样为半正弦形状阵列。
可选地，所述载波激励信号依次为Asin(ωt)、-Asin(ωt)、Acos(ωt)、-Acos(ωt)循环施加于所述定极板阵列电极极板。
可选地，所述相敏检测单元由乘法器和低通滤波器构成。
可选地，所述跨极板检测单元由过零点比较器和跨极板数据处理模块构成，通过与参考载波过零点比较，计算相位移动地周期数。
进一步地，所述动极板电极可增加空间调制阵列电极极板，使得敏感质量的位移最终转换为动极板上感应电压的相位变化
Figure BDA0002347032670000071
Figure BDA0002347032670000072
解调敏感质量的位移为
Figure BDA0002347032670000073
所述信号逻辑处理单元提取加速度策略：整个系统初始时刻定义为参考零点，施加较大加速度激励(覆盖整个动态范围)，对两组阵列电极输出进行数据处理，对敏感质量位移空间进行划分，确定敏感质量位移的绝对位置与两组阵列电极的输出选择分别一一对应。进入正常工作模式后，根据当前两组阵列电极检测的位移增量和跨电极周期增量数，依照标定模式下的空间位移分配表，选择合适的一组阵列的相敏检测单元输出和跨极板检测单元输出作为敏感质量的最终输出，进入所述信号逻辑处理单元相加合成目标加速度检测结果。
本发明公开了一种加速度传感器，该加速度传感器设计空间调制动极板阵列电极图样(属于敏感质量块)和定极板阵列电极图样(属于敏感探头封装单元)，并配合采用时域调制的载波激励施加于定极板阵列电极，使得目标加速度信号转换为载波激励的相位信号；相位信号的解调采用跨电极极板“多周期相位变化”判断计数和相敏检测电极极板内“单周期内相位变化”相结合的两级精度传感检测机制。
本实施例提供的加速度传感器是一种高精度、大动态范围的加速度检测装置，其结构包括弹簧-质量系统单元、敏感探头封装单元、载波激励发生器单元、相敏检测单元、跨极板检测单元、信号逻辑处理单元和加速度输出单元。
本发明采用MEMS深硅刻蚀技术加工弹簧-质量系统单元，包括敏感质量块、弹簧、动极板阵列电极、引线、管脚、外框等。为了进一步降低弹簧-质量系统固有频率，敏感质量块上方的弹簧可以设计为负刚度弹簧，敏感质量块下方的弹簧可以设计为正刚度弹簧，以此达到极低有效弹簧刚度。典型地，本实例采用500um硅片深硅刻蚀而成。可得：
Figure BDA0002347032670000081
其中，Δa、Δx、ω0、m和k分别为敏感轴向加速度、质量块位移、弹簧-质量系统的固有频率、质量块的质量和弹簧有效弹性系数。
敏感质量块表面电镀空间调制的阵列电极图样，即，动极板阵列电极。本实例为并行两列半正弦图样，电镀厚度20nm。半正弦高5mm，底部宽100um。为了抑制电极引线干扰，电镀采用多层电镀工艺，两列动极板电极分别通过底层引线互连，然后从弹簧梁引到加速度传感探头外框的管脚上。
为了使加速度传感器更加紧凑，定极板阵列电极电镀在敏感探头封装单元表面，具体来说，正对动极板电极，定极板阵列电极与动极板阵列电极的排列为：一组电极极板中动电极极板与两个定电极极板位置对应关系可以为如下三种情况之一：第一种情况：动电极极板正对着两个定电极极板中左边的定电极极板；第二种情况：动电极极板与两个定电极极板呈轴对称放置；第三种情况：动电极极板正对着两个定电极极板中右边的定电极极板。并且，可以理解的是，动电极极板只要是半正弦结构，即属于本发明的保护范围，其与定电极极板的位置关系不限于本发明实施例给出的这三种情况。本实例定极板阵列电极为电镀两列矩形图样，电镀厚度20nm。矩形高8mm，底部宽98um，相邻极板间距2um。两列电极在垂直方向起始位置上相差49um。同理，定极板电极互连的引线也在底层电镀层进行。
图1为本发明提供的加速度传感器结构示意图，如图1所示，包括：敏感质量、弹簧结构、定电极极板、动电极极板以及外部封装结构。
所述敏感质量位于所述外部封装结构的内部，所述弹簧结构将所述敏感质量与外部封装结构连接，所述敏感质量在所述弹簧结构的约束下受外界力的作用而运动；所述定电极极板固定于外部封装结构的内侧；所述动电极极板固定于所述敏感质量的顶部；每个动电极极板与两个定电极极板位置对应，组成一组电极极板；所述动电极极板的平面呈半正弦结构，使得所述敏感质量在平行所述定极板电极所在平面的方向的位移变化对应为动电极极板上感应电压的相位变化。
所述外部封装结构包括：上盖和下盖；所述上盖位于敏感质量的上方，所述定极板电极固定于上盖的底部；所述下盖位于敏感质量的下方。
具体地，图2(a)、图2(b)以及图2(c)为一组动极板电极和定极板电极的三种位置关系下仰视结构示意图，如图2(a)所示：动电极极板与两个定电极极板呈轴对称放置；如图2(b)所示：动电极极板正对着两个定电极极板中左边的定电极极板；如图2(c)所示：动电极极板正对着两个定电极极板中右边的定电极极板。图2(a)和图2(b)可组合为一种相邻的两组电极极板组合；图2(a)和图2(c)可组合为另一种相邻的两组电极极板组合；本实例通过采用空间调制两组动极板半正弦的方法，两组半正弦阵列在敏感轴方向相差1/2个定电极极板周期的位置，最后使得第二组动电极极板组合对应的两个动电极极板上的感应电压之和
Figure BDA0002347032670000091
与敏感质量位移变化Δx的表达式为：
Figure BDA0002347032670000092
解调后得到输出电压：
Figure BDA0002347032670000093
可以理解的是，本发明中的输出电压公式皆为理想结果，实际应用中，输出电压的幅值是达不到A的，一定会是零点几倍的A，即A前面要乘以一个系数n，0<n<1。其中，极板间距越小，n值越大。
具体地，控制极板间距使得动极板电极处在动极板电极激励电场的均匀电场区，本实例极板间距为800um。
载波激励发生器单元产生四路相位相差90度的正弦信号依次施加于定极板电极，分别为Asin(ωt)、-Asin(ωt)、Acos(ωt)、-Acos(ωt)。本实例载波激励发生器单元由数字频率合成器(DDS)、数字模拟转换器(DAC)和带通滤波器(BF)组成。DDS在现场可编程逻辑阵列(FPGA)实现，并由FPGA控制四路载波激励信号相位为90度，如图4所示。
两个定极板电极和一个动极板电极组成一组，实现加速度检测，如图3所示一组阵列电极加速度检测信号流程示意图。在电场耦合作用下，由于定极板电极极板宽度l＞＞定极板电极极板间距d，忽略极板间隙的影响，正弦和余弦两路激励电极对应的半正弦动极板感应电压分别为：
Figure BDA0002347032670000101
将两路信号经过加法器相加，可得：
Figure BDA0002347032670000102
上式表明，敏感质量的位移信号已经被成功调制到频率为ω/2π的载波上，而且，通过调节电极宽度进而可以调节弹簧-质量系统对加速度的分辨率。
对式(2)的载波输出和参考波进行解调，可得：
Figure BDA0002347032670000103
Vmul经过低通滤波器之后，敏感质量块的位移就被解调出来
Figure BDA0002347032670000111
如图3所示。
所述跨极板检测单元用于实现跨电极极板的多周期相位检测，包括过零点比较器和跨极板数据处理模块，如图4所示。过零点比较器把载波参考正弦信号和解调之前的载波信号都转换成方波信号，送入跨极板数据处理模块。后者由FPGA实现。FPGA产生高速脉冲计数，监控所述两个方波信号的相位变化，并记录其中相位变化的整周期数，即，多周期相位变化的绝对计数。
显然，在相位移动的单个周期内，只有一半的检测范围线性度和灵敏度较好。为了进一步改善加速度传感器性能，本实例采用空间调制两组动极板半正弦的方法，两组半正弦阵列相对于定极板矩形电极相差90度，如图4所示。同理可得，另一组动极板电极输出的相位变化为
Figure BDA0002347032670000112
Figure BDA0002347032670000113
所述信号逻辑处理单元提取加速度策略：整个系统初始时刻定义为参考零点，施加较大加速度激励(覆盖整个动态范围)，对两组阵列电极输出进行数据处理，对敏感质量位移空间进行划分，确定敏感质量位移的绝对位置与两组阵列电极的输出选择分别一一对应。进入正常工作模式后，根据当前两组阵列电极检测的单周期相位变化和跨电极相位周期变化数，依照标定模式下的空间位移分配表，选择合适的一组阵列的相敏检测单元输出和跨极板检测单元输出作为敏感质量的最终输出，进入所述信号逻辑处理单元相加合成目标加速度检测结果。正如图5所示，组合两组相差90度空间调制的阵列电极输出可以保证全动态范围内加速度检测的线性和灵敏度都处在最优区间。
本实例加速度输出单元采用串口控制逻辑和ASCII码私有协议和上位机通信，由FPGA逻辑实现。
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 (8)

1.一种加速度传感器，其特征在于，包括：敏感质量、弹簧结构、定电极极板、动电极极板以及外部封装结构；
所述敏感质量位于所述外部封装结构的内部，所述弹簧结构将所述敏感质量与外部封装结构连接，所述敏感质量在所述弹簧结构的约束下受外界力的作用而运动；
所述定电极极板固定于外部封装结构的内侧；所述动电极极板固定于所述敏感质量的顶部；每个动电极极板与两个定电极极板位置对应，组成一组电极极板；所述动电极极板的平面呈半正弦结构，使得所述敏感质量在平行所述定极板电极所在平面的方向的位移变化对应为动电极极板上感应电压的相位变化。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述敏感质量在平行所述定极板电极所在平面的方向的位移变化可分为两个自由度方向的位移变化；所述定电极极板呈矩形，则所述两个自由度方向分别为所述矩形的短边方向和长边方向；
所述矩形的长边方向对应所述动极板电极半正弦结构的峰长方向，所述矩形的短边方向对应所述动极板电极半正弦结构的峰宽方向；
所述矩形的长边的长度大于或等于所述动极板电极的半正弦结构的峰长的1.5倍，使得所述敏感质量在所述长边方向的位移变化不影响所述动电极极板上感应电压的相位。
3.根据权利要求1或2所述的加速度传感器，其特征在于，每组电极极板中动电极极板与两个定电极极板位置对应关系可以为如下三种情况之一：
第一种情况：动电极极板正对着两个定电极极板中左边的定电极极板；
第二种情况：动电极极板与两个定电极极板呈轴对称放置；
第三种情况：动电极极板正对着两个定电极极板中右边的定电极极板。
4.根据权利要求1或2所述的加速度传感器，其特征在于，所述敏感质量在所述短边方向的位移变化Δx对应的动电极极板上的一种感应电压Vsin的表达式为：Vsin＝Asin(Δx·π/l)cos(ωt)；其中，A为定电极极板上所加电压的幅值，l为所述半正弦结构的峰宽，ω为定极板电极上所加电压的角频率。
5.根据权利要求3所述的加速度传感器，其特征在于，所述加速度传感器可包括多组电极极板，所述多组电极极板呈所述三种情况分布；
所述第一种情况下的动极板电极上的感应电压的相位与第二种情况下的动极板电极上的感应电压的相位相差90度；
所述第二种情况下的动极板电极上的感应电压的相位与第三种情况下的动极板电极上的感应电压的相位相差90度；
所述第一种情况下的一组电极极板与第二种情况下的一组电极极板可组合为一种相邻的两组电极极板组合；
所述第二种情况下的一组电极极板与第三种情况下的一组电极极板可组合为另一种相邻的两组电极极板组合；
上述两种相邻的两组电极极板组合对应的两个动电极极板上的感应电压之和对应的输出信号Vout与敏感质量位移变化Δx的表达式为：Vout＝0.5Acos(Δx·π/w)。
6.根据权利要求1或2所述的加速度传感器，其特征在于，所述外部封装结构包括：上盖和下盖；
所述上盖位于敏感质量的上方，所述定极板电极固定于上盖的底部；
所述下盖位于敏感质量的下方。
7.根据权利要求1或2所述的加速度传感器，其特征在于，还包括：加速度检测结构；
所述加速度检测结构通过电路检测每组电极极板对应的动电极极板输出的电压，并从中确定整个动电极极板的输出电压，以从整个动电极极板的输出电压的相位变化中解调出所述敏感质量的位移变化以确定外界力对应的加速度。
8.根据权利要求1或2所述的加速度传感器，其特征在于，所述弹簧结构可采用正刚度弹簧和负刚度弹簧配合以降低系统固有频率。
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