CN111929469A - 一种可调低刚度微机械加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调低刚度微机械加速度计，属于加速度测量技术领域，包括加速度敏感模块、调谐模块、位移检测模块、力反馈模块。加速度敏感模块中质量块通过屈曲弹性梁与基板锚区相连，在加工过程中受内应力作用屈曲弹性梁发生形变，质量块突破自锁结构的约束边界，实现自锁，自锁后处于超柔性工作区间。利用梳齿电容和三角形栅电容调谐设计，实现加速度计的开环刚度可调。加速度计可以在开环和闭环工作方式下工作，其中，在开环工作下，通过位移检测模块检测质量块位移引起的电容变化进而检测外界加速度的变化，并且可以进一步利用力反馈模块栅电容完成闭环控制。本发明结构简单，灵敏度高，可应用于微弱加速度信号检测。

Description

一种可调低刚度微机械加速度计

技术领域

本发明属于加速度测量技术领域，更具体地，涉及一种可调低刚度微机械加速度计。

背景技术

低刚度微机械加速度计广泛应用于空间测量、地下资源勘探等场合，通过利用弹性梁的低刚度特性，可以实现具有高灵敏度的微机械加速度计。目前低刚度加速度计弹性梁主要有两类：一类是几何反弹簧梁，一类是正负混合梁。

几何反弹簧梁(geometric anti-spring)包括非对称的三个弹性梁，利用在两个自由度上的耦合作用，实现在敏感方向上的刚度变化，在运动过程中刚度先变小后变大。正负混合梁是有两种刚度分别为正和负的弹性梁组成，利用正负刚度的叠加效果，可以实现一个较低的等效刚度。两种弹性梁结构都适用于重力仪或微机械加速度计，但是难以保证弹性梁的工作区间始终处于弹性梁的低刚度位置，同时也存在最低加速度输入阈值、刚度不可调以及标度因数不线性的问题，难以满足在各类低刚度的微机械静态或谐振器结构中的应用。

本发明利用自锁结构和阻挡块结构将屈曲弹性梁的行程范围约束在超柔性工作区间，同时利用调谐模块对刚度进行调节，可以实现加速度信号的高灵敏度检测和线性输出。

发明内容

针对现有的低刚度加速度计上的缺点和不足，本发明提供了一种可调低刚度加速度计，能够实现高灵敏度、线性的加速度测量，同时制造工艺简单，制造成本可以得到有效的控制。

本发明采用的技术方案如下：

一种可调低刚度微机械加速度计，包括加速度敏感模块、调谐模块、位移检测模块、力反馈模块和自锁结构；

所述加速度敏感模块中的质量块通过屈曲弹性梁与基板锚区相连，所述的屈曲弹性梁在加工过程中受内应力的作用发生形变，质量块突破自锁结构的约束边界，实现自锁，此时屈曲弹性梁具有低结构刚度，甚至零刚度和负刚度；所述调谐模块通过混合调谐结构等效降低加速度计的刚度，混调结构包括梳齿电容和三角形栅电容，使系统的等效刚度可进一步被调节；

所述位移检测模块在开环工作下，通过检测质量块运动位移引起的电容变化得到外界加速度；所述力反馈模块在闭环工作下，通过控制器和栅电容执行器对质量块的惯性力进行抵消，使质量块固定在指定位置，通过闭环力反馈方式得到外界加速度。

更进一步地，所述质量块在加工过程中由于内应力的作用自动移动至自锁状态。

更进一步地，所述屈曲弹性梁具有非线性刚度，存在超柔性工作区间。

更进一步地，加速度计的基板锚区处还设有阻挡块结构，在自锁结构和阻挡块结构的约束下，可以将屈曲弹性梁形成约束在超柔性工作区间。

更进一步地，所述质量块可在自锁结构和阻挡块结构的边界内沿敏感轴方向移动，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。

更进一步地，所述的屈曲弹性梁为弯曲梁，关于敏感轴对称分布，位于敏感轴同一侧的两个屈曲弹性梁弯曲方向一致，自锁后的梁具有超柔性工作区间。

更进一步地，所述屈曲弹性梁的结构设计满足

其中，Q＝h/t，t为屈曲弹性梁的宽度，h为屈曲弹性梁的初始顶点高度。

更进一步地，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。

更进一步地，利用调谐模块对加速度计的刚度进行调节，所述调节的过程是由梳齿电容和三角形栅电容共同作用实现的；所述的梳齿电容与调谐模块中的梳齿调谐电极相连，三角形栅电容与调谐模块中的三角形调谐电极相连。前者可以提供抵消弹性梁回复力作用并同时可以在较大范围内降低刚度，后者可以在小范围内精确提高或降低刚度。

总体来说，通过上述本发明所构思的技术方案和现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明利用屈曲弹性梁和自锁结构，在内应力作用下，质量块自动移动到自锁位置，利用非线性弹性梁在运动过程中弯曲能量和拉伸能量之间的传递特性，使非线性弹性梁处在低刚度区域，并利用调谐模块中梳齿电容产生抵消屈曲弹性梁回复力，实现了加速度计一直工作在超柔性工作区间，能够满足在各类低刚度的微机械静态或谐振器结构中的应用；

(2)本发明配合利用调谐模块中梳齿电容和三角形栅电容的调谐作用，其中三角形栅电容具备线性、可精确调节的特点，梳齿电容具备非线性、大调节范围的特点，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，通过这种方式可以使系统的等效刚度进一步被调节，并且实现线性检测；

(3)本发明的加速度计可以在开环和闭环工作方式下工作，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，具有高灵敏度、线性输出的特点，结构简单，可批量加工制造。

附图说明

图1是本发明实施例提供的低刚度加速度计的结构示意图；

图2是屈曲弹性梁的力-位移曲线仿真结果；

图3是本发明提供的基板电容电极示意图；

在所有附图中，x轴表示非敏感轴方向，y轴表示敏感轴方向，相同的附图标记用来表示相同的结构，其中：1为屈曲弹性梁，2为锚区，3为质量块，4为自锁结构，5为阻挡块结构，6为硅栅结构，7为梳齿电容，8为质量块电极，9为位移检测模块金属电极，10为位移检测模块差分电极，11为固定梳齿电极，12为力反馈模块电极，13为调谐模块三角形电极，14为力反馈模块差分电极，15为玻璃基板。

具体实施方式

为了更加清楚的表达本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图和公式推导进一步解释。应当理解，此处的原理用以解释本发明，但并不限定于本发明。

如图1和图3所示，本发明提供的一种可调低刚度加速度计包括加速度敏感模块、调谐模块、位移检测模块、力反馈模块。所述加速度敏感模块中质量块通过屈曲弹性梁与基板锚区相连，屈曲弹性梁关于敏感轴对称分布，梁的弯曲方向一致，在加工过程中受内应力的作用屈曲弹性梁发生形变，质量块突破自锁结构的约束边界，此时屈曲弹性梁具有低结构刚度，甚至零刚度和负刚度。

所述调谐模块中梳齿电容和三角形栅电容的调谐作用，使系统的等效刚度可进一步被调节；具体的，梳齿电容提供比较大的输出力，以平衡抵消屈曲弹性梁的回复力，同时提供较大范围的刚度调节能力；所述调谐模块中三角形栅电容的线性调谐作用，使系统的等效刚度可进一步被修调，甚至达到零刚度。

本发明的加速度计可以在开环和闭环工作方式下工作，所述位移检测模块开环工作下通过检测质量块位移引起的电容变化进而检测外界加速度的变化；所述力反馈模块闭环工作下通过控制器和栅电容执行器对惯性力进行抵消，使质量块固定在指定位置，通过反馈力可计算出外界加速度的变化。

在本发明的一项具体实施中，加速度计中用于检测质量块运动位移的结构采用变面积型电容。图3是本发明提供的基板电容电极示意图，包括质量块电极8，位移检测模块金属电极9，位移检测模块差分电极10，固定梳齿电极11，力反馈模块电极12，调谐模块三角形电极13，力反馈模块差分电极14。

本发明提出的屈曲弹性梁是一种非线性弹性梁，在质量块运动过程中先变小后变大，存在超柔性工作区间。利用非线性弹性梁在运动过程中弯曲能量和拉伸能量之间的传递特性，使非线性弹性梁处在低刚度区域，配合调谐设计实现加速度计的可调低刚度工作目的。

如图2所示，通过优化非线性梁的几何参数，能够调节三阶振型下刚度。预变形在一阶振型的非线性弹性梁的中心线挠度满足公式(1)：

其中，l是非线性梁的长度，x是直梁的轴向位置，h是弯曲梁的初始顶点高度，w(x)是梁中心线的挠度。

根据弯曲梁变形分析，可以得到作用在中心的垂直力F和垂直位移y之间关系式：

其中，Q＝h/t，Δ＝y/t，t为弯曲梁的宽度，h为弯曲梁的初始顶点高度。

弯曲梁在运动过程中，力曲线经过三个固定点(Δ＝0,1,2)。只有当Δ＝1时曲线近似水平时，该弯曲梁会产生一个超柔性区域，如式(3)所示：

由此得到弯曲梁存在超柔性区域的条件，式(4)：

因此，加速度计的梁结构中，梁的初始变形和梁宽之比满足式(4)，并结合在质量块和锚区之间的自锁结构和阻挡块结构，可保证质量块保持在该低刚度区域。

为了验证该屈曲弹性梁的刚度非线性，在有限元软件Multiphysics COMSOL软件中进行力学仿真，得到力-位移曲线。如图2所示，该弹性梁具有超柔性区间，行程约为8微米。

在本发明的一项具体实施中，所述加速度计实现自锁的加工方法包括下述步骤：

(1)在玻璃上利用光刻和干法刻蚀工艺加工出三角形栅电容、检测用变面积栅电容以及力反馈用变面积栅电容的金属电极图案；

(2)在低阻单晶硅上光刻和干法刻蚀出锚区和金属凹槽，并将玻璃和硅片进行阳极键合；

(3)利用湿法刻蚀对键合片中单晶硅进行减薄至理想高度，由于键合和减薄过程中硅玻璃膨胀系数不匹配，结合面存在一定的内应力；

(4)利用深反应离子刻蚀(DRIE)工艺对所述硅片进行刻蚀，得到质量块、屈曲弹性梁、自锁结构、阻挡块、梳齿电容、硅栅电极结构等，在此工艺过程中，内应力得到释放，实现自锁。

在本发明的一项具体实施中，同时利用梳齿电容和三角形栅电容调谐设计，能够实现加速度计的开环刚度可调，从而实现高灵敏度测量。具体的，本发明中三角形栅电容可以引入静电负刚度和正刚度，三角形栅电容在敏感轴方向的静电力与位移成线性关系，能够实现加速度计等效刚度的精度、线性调节。梳齿电容可以引入更大的非线性静电负刚度，能够实现较大的调节范围。在本实施例中，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。

在本发明的一项具体实施中，可以进一步利用力反馈模块栅电容完成闭环控制，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。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。具体的，位移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。根据力反馈信号即可计算出加速度大小。

本领域的技术人员应理解，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 (10)

1.一种可调低刚度微机械加速度计，其特征在于，包括加速度敏感模块、调谐模块、位移检测模块、力反馈模块和自锁结构；

所述加速度敏感模块中的质量块通过屈曲弹性梁与基板锚区相连，所述的屈曲弹性梁在加工过程中受内应力的作用发生形变，质量块突破自锁结构的约束边界，实现自锁；所述调谐模块通过混合调谐结构等效降低加速度计的刚度，混调结构包括梳齿电容和三角形栅电容；

所述位移检测模块在开环工作下，通过检测质量块运动位移引起的电容变化得到外界加速度；所述力反馈模块在闭环工作下，通过控制器和栅电容执行器对质量块的惯性力进行抵消，使质量块固定在指定位置，通过闭环力反馈方式得到外界加速度。

2.根据权利要求1所述的可调低刚度微机械加速度计，其特征在于，所述质量块在加工过程中由于内应力的作用自动移动至自锁状态。

3.根据权利要求1所述的可调低刚度微机械加速度计，其特征在于，所述屈曲弹性梁具有非线性刚度，存在超柔性工作区间。

4.根据权利要求3所述的可调低刚度微机械加速度计，其特征在于，加速度计的基板锚区处还设有阻挡块结构，所述阻挡块结构将屈曲弹性梁约束在超柔性工作区间内。

5.根据权利要求4所述的可调低刚度微机械加速度计，其特征在于，所述质量块可在自锁结构和阻挡块结构的边界内沿敏感轴方向移动，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。

6.根据权利要求5所述的可调低刚度微机械加速度计，其特征在于，所述的屈曲弹性梁关于敏感轴对称分布，位于敏感轴同一侧的两个屈曲弹性梁弯曲方向一致。

7.根据权利要求1所述的可调低刚度微机械加速度计，其特征在于，所述屈曲弹性梁的结构设计满足

其中，Q＝h/t，t为屈曲弹性梁的宽度，h为屈曲弹性梁的初始顶点高度。

8.根据权利要求1所述的可调低刚度微机械加速度计，其特征在于，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。

9.根据权利要求1所述的可调低刚度微机械加速度计，其特征在于，利用调谐模块对加速度计的刚度进行调节，所述调节的过程是由梳齿电容和三角形栅电容共同作用实现的；所述梳齿电容还具有抵消屈曲弹性梁回复力的作用；所述的梳齿电容与调谐模块中的梳齿调谐电极相连，三角形栅电容与调谐模块中的三角形调谐电极相连。

10.根据权利要求1所述的可调低刚度微机械加速度计，其特征在于，所述实现自锁的加工方法包括下述步骤：

(1)在基板玻璃上利用光刻和干法刻蚀工艺加工出三角形栅电容、检测用变面积栅电容以及力反馈用变面积栅电容的金属电极图案；

(2)在单晶硅片上利用光刻和干法刻蚀工艺加工出锚区和金属凹槽，并将基板玻璃和单晶硅片进行阳极键合，制成键合片；

(3)利用湿法刻蚀工艺对键合片中的单晶硅片进行减薄至预设高度，在键合和减薄过程中，由于单晶硅片和基板玻璃的膨胀系数不匹配，在结合面产生内应力；

(4)利用深反应离子刻蚀工艺对键合片中的单晶硅片进行刻蚀，得到质量块、屈曲弹性梁、自锁结构、阻挡块、梳齿电容、硅栅电极结构，刻蚀过程中使得内应力得到释放，实现自锁。

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