CN111766402A

CN111766402A - 一种微机械加速度计的调谐控制方法

Info

Publication number: CN111766402A
Application number: CN202010625912.3A
Authority: CN
Inventors: 马志鹏; 郭益轩; 金仲和; 郑旭东
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2020-10-13

Abstract

本发明公开了一种微机械加速度计的调谐控制方法。该加速度计包含混合调谐结构、线性检测结构、以及线性力反馈结构。其中，混合调谐结构是由梳齿电容结构和三角形栅电容结构组成，梳齿电容结构虽具有较大的谐振频率调谐能力但调谐过程含有非线性，而三角形栅电容结构虽具有较小的谐振频率调谐能力但调谐过程是线性的，将两者结合使用可实现较大范围以及精确的谐振频率调谐能力。检测和力反馈结构均采用变面积型电容结构，可以实现对外界加速度的线性检测以及闭环下的线性力反馈。本发明原理简单，实现方便，能应用于各类低谐振频率或低刚度的微机械静态或谐振器结构。

Description

一种微机械加速度计的调谐控制方法

技术领域

本发明涉及微机械加速度计或其它微机械重力检测领域，尤其涉及一种微机械加速度计的调谐控制方法。

背景技术

高灵敏度微机械加速度计广泛应用于惯性导航、地震监测、重力测量等场合，通过调节谐振频率的方式可以实现具有高灵敏度的微机械加速度计。调节谐振频率方法可分为两类：第一类为不可恢复的永久性谐振频率调节方法，第二类为可恢复的谐振频率调节方法。永久性的谐振频率调节方法主要是在加工等手段使质量、刚度等与谐振频率相关的参数发生变化。可恢复的谐振频率调节方法主要是器件加工成形后利用光、电、磁等调节方法，使结构的刚度、质量等敏感参数发生变化，从而进一步影响器件的谐振频率，当撤掉外界调节后，传感器则恢复到初始状态。现有报道中采用的可恢复的谐振频率调节方法中调谐结构单一，调谐能力有限，难以满足在各类低谐振频率或低刚度的微机械静态或谐振器结构中的应用。

由于微机械加速度计系统在低谐振频率时处于边界稳定状态，在开环的情况下容易失稳发生吸合，导致的加速度检测量程很小。因此，在实际应用中，通常使低谐振频率的加速度计工作在闭环状态。如何通过调节加速度计的谐振频率使其在闭环工作状态下的检测精度进一步提高，是微机械加速度计领域目前尚未解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微机械加速度计的调谐控制方法，该加速度计采用了由梳齿电容结构和三角形栅电容结构组成的混合调谐结构，用于实现较大范围以及精确的谐振频率调谐功能。加速度计的检测和力反馈结构均采用变面积型电容结构，可以实现对外界加速度的线性检测以及闭环下的线性力反馈，适用于各类低谐振频率或低刚度的微机械静态或谐振器结构。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微机械加速度计的的调谐控制方法，所述微机械加速度计包含调谐模块、检测模块、力反馈控制模块和混合调谐结构，所述调谐控制方法包括：

1)调谐模块输出直流电压，施加在加速度计的混合调谐结构上，等效降低加速度计的刚度和谐振频率；

2)检测模块对微机械加速度计中由外界加速度产生的电容变化信号进行调制，并转换为电压检测信号，再经解调得到等效加速度的电压信号；

3)力反馈控制模块将等效加速度的电压信号与参考信号进行比较，输出包含加速度信息的力反馈信号；所述力反馈信号通过反馈推挽电路获得反馈电压，并将所述反馈电压施加在加速度计的力反馈模块上，实现加速度计的闭环控制。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1)本发明的谐振频率调节方法为实时、可控、可恢复的，可使微机械加速度计工作在频率可调模式；在调节过程中，根据预设的加速度计工作谐振频率计算混合调谐结构需要提供的等效静电负刚度，通过实时施加在混合调谐结构的直流电压值的变化实现等效静电负刚度的变化，以此等效降低加速度计的刚度和谐振频率，整个调节过程方便可控。

2)本发明的谐振频率调节结构包含线性、精确的三角形栅电容结构和非线性、大调节范围的梳齿电容结构混合而成，在调节过程中，首先通过梳齿电容结构实现粗调节，再通过三角形栅电容结构实现精调节，实现了较大范围以及精确的谐振频率调谐功能，可针对不同场合灵活使用。

3)本发明采用变面积型电容结构，使电容检测和力反馈方法为均为线性测量和反馈方法，能够实现对外界加速度的线性检测以及闭环下的线性力反馈，保证了具有较高的线性度。

4)本发明的PID控制器和变结构滑模控制器，可使加速度计在较低谐振频率状态下闭环工作，尤其能避免低谐振频率时的吸合不稳定问题。

附图说明

图1是本发明中的微机械加速度计的闭环控制框图；

图2是本发明中微机械加速度计的三维结构图；

图3是本发明中微机械加速度计的电极结构示意图；

图4是本发明中微机械加速度计的的三角形栅电容示意图；

图5是本发明中微机械加速度计的梳齿电容示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明的微机械加速度计包含：

混合调谐结构：包括线性调谐结构和非线性调谐结构；

调谐模块，用于根据所需调节的加速度计的工作谐振频率，输出直流电压，并将电压施加在混合调谐结构上；

检测模块，包括检测电极、电容/电压转换模块、调制模块和解调模块；其中检测电极用于检测由外界加速度产生的电容变化信号；电容/电压转换模块用于将电容变化信号转化为电压检测信号；调制模块和解调模块用于对信号进行调制及解调，获取等效加速度的电压信号；

力反馈控制模块：包括控制器和力反馈模块，控制器用于计算力反馈信号，力反馈模块用于闭环下的线性力反馈。

在本发明的一种具体实施中，如图2-3所示，线性调谐结构具体为三角形栅电容结构，非线性调谐结构具体为梳齿电容结构，所述的梳齿电容结构与梳齿调谐电极相连，三角形栅电容结构与三角形调谐电极相连。

如图4中的三角形栅电容示意图，三角形栅电容在敏感轴方向的静电力与位移成线性关系，等效静电负刚度为：

其中，k为等效静电负刚度，F为栅电容静电力，x为质量块位移，L为三角形栅与矩形质量块交叠长度(垂直于位移方向)，V₁为三角形调谐电极的施加电压，ε为介电常数，z₀为电容间隙。

三角形栅电容引入的静电负刚度的大小与电容间隙成反比，而间隙的加工制约了调谐能力和弹性梁刚度，难以使其静电负刚度完全抵消弹性梁的结构刚度。采用梳齿电容，可以引入更大的非线性静电负刚度。如图5中的梳齿电容示意图，梳齿的等效静电负刚度为：

其中，V₂为梳齿调谐电极的施加电压，e为梳齿交叠长度，f为梳齿深度，x₀为梳齿间隙。

因此，本发明采用混合式调谐结构，即在非线性梳齿调谐电容和三角形调谐电容共同作用下，能实现系统的低等效刚度甚至零等效刚度。其中，非线性梳齿调谐电容和三角形调谐电容分别起粗调谐和精调谐的作用。

在闭环工作状态下，利用力反馈方式将质量块控制至参考位移处，从而避免低谐振频率时加速度计的不稳定。闭环工作的控制步骤可分为：

1)初始化过程，此时无外界加速度，调谐和力反馈不工作；

2)调谐模块输出直流电压，施加在加速度计的混合调谐结构上，等效降低加速度计的刚度和谐振频率；具体步骤为：

首先加入梳齿调谐电压，在开环条件下，加速度计运动至平衡位置，由于此时调谐电压小于吸合电压，弹性力与静电力达到平衡，系统达到稳定状态；

其次加入三角形调谐电压，可根据需要精确控制系统的工作谐振频率，此时弹性力抵消梳齿和三角形的静电合力，完成对加速度计的工作谐振频率的调节；

3)开始闭环，检测模块对微机械加速度计中由外界加速度产生的电容变化信号进行调制，并转换为电压检测信号，再经解调得到等效加速度的电压信号；力反馈控制模块将等效加速度的电压信号与参考信号进行比较，根据系统的工作谐振频率确定质量块的参考位置，经PID控制器的比例、积分和微分运算得到力反馈信号；或者将等效加速度的电压信号与参考信号的偏差以及偏差导数信息输入变结构滑模控制器，经过切换函数运算得到力反馈信号。甚至可将加速度计调谐至临界吸合点(位移为梳齿间隙的三分之一)，利用闭环维持加速度计稳态状态；

4)加速度计受到外界加速度，根据力反馈信号计算出外加加速度大小。

在本发明的一个具体实施中，可根据预设的加速度计工作谐振频率计算混合调谐结构需要提供的等效静电负刚度，计算公式同上述公式(1)和公式(1)，确定调谐模块输出的直流电压值V₁和V₂。

加速度计的闭环力反馈方式由线性变面积型电容和推挽电路驱动实现，即由控制器输出的包含加速度信息的力反馈信号通过反馈推挽电路获得反馈电压，并将所述反馈电压施加在加速度计的力反馈模块中的反馈电极上，实现加速度计的闭环控制。

在本发明的一个具体实施中，加速度计中检测质量块运动位移的结构、以及力反馈结构均为变面积型电容，采用高频正弦载波信号的调制和解调，可实现对加速度引起位移的低噪、线性检测，以及闭环下的线性力反馈。

以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.一种微机械加速度计的调谐控制方法，其特征在于，所述微机械加速度计包含调谐模块、检测模块、力反馈控制模块和混合调谐结构，所述调谐控制方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种微机械加速度计的调谐控制方法，其特征在于，所述的调谐控制方法是由梳齿电容结构和三角形栅电容结构共同作用实现，梳齿电容结构与梳齿调谐电极相连，三角形栅电容结构与三角形调谐电极相连。

3.根据权利要求1所述的一种微机械加速度计的调谐控制方法，其特征在于，所述力反馈信号的获得方法为：力反馈控制模块将等效加速度的电压信号与参考信号进行比较，经PID控制器的比例、积分和微分运算得到力反馈信号；或者将等效加速度的电压信号与参考信号的偏差以及偏差导数信息输入变结构滑模控制器，经过切换函数运算得到力反馈信号。

4.根据权利要求1所述的一种微机械加速度计的调谐控制方法，其特征在于，所述加速度计中用于检测质量块运动位移的结构为变面积型电容。

5.根据权利要求4所述的一种微机械加速度计的调谐控制方法，其特征在于，步骤2)中采用高频正弦载波信号进行调制和解调。

6.根据权利要求1所述的一种微机械加速度计的调谐控制方法，其特征在于，所述加速度计的闭环力反馈方式由线性变面积型电容和推挽电路驱动实现。

7.根据权利要求1所述的一种微机械加速度计的调谐控制方法，其特征在于，步骤1)具体为：

1.1)初始化加速度计，根据预设的工作谐振频率计算混合调谐结构需要提供的等效静电负刚度，所述混合调谐结构包括线性调谐结构和非线性调谐结构；

1.2)根据等效静电负刚度确定调谐模块输出的直流电压值V₁和V₂；

1.3)首先对非线性调谐结构施加直流电压V₁，待加速度计处于稳定状态后，再对线性调谐结构施加直流电压V₂，完成对加速度计的工作谐振频率的调节。

8.根据权利要求7所述的一种微机械加速度计的调谐控制方法，其特征在于，所述直流电压V₁选为临界吸合电压的80％-90％。