CN113092817B - 检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器及其控制方法 - Google Patents

检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器及其控制方法，该加速度计工作平面层包括一个敏感质量块、三个谐振器，其中两侧的谐振器包括一个惯性力放大杠杆结构和一组差分梳齿驱动检测结构，相邻谐振器之间由等间距平板电容提供静电力构成静电耦合。当加速度较小时，由电路控制三个谐振器处于不同电位，使得三个谐振器间产生静电耦合构成模态局部化检测模式，通过振幅比检测加速度，当加速度超过预设临界值时，由电路控制取消中间谐振器的电位，使得各谐振器之间不再相互耦合，处于单独谐振状态，即由模态局部化模式切换成振梁式，通过差分谐振频率检测加速度。本发明能实现大量程、高灵敏度、大动态测量范围的高精度加速度计。

Description

检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器及其控制方法
技术领域
本发明属于MEMS系统中微惯性传感器技术领域，特别涉及一种检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器及其控制方法。
背景技术
微机电(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)加速度计是微机电惯性传感器中非常重要的组成部分，早在20世纪70年代，Roylance研究团队发表了第一个有关于微机电加速度计的文章。时至今日，微机电加速度计已经发展了将近半个世纪。随着性能的提高和产业化发展，微机电加速度计也从最早的军事、航空和航天领域，逐步应用于消费电子、医疗安全和汽车安全等生活的方方面面。
近十年来以频率检测为核心的谐振式加速度计成为重点关注对象之一，相较于传统的电容式加速度计，频率检测的谐振式加速度计拥有更好的稳定性和更大的量程，但是随着研究的不断深入，真空技术和单晶硅材料的温度特性制约问题慢慢浮现，使得谐振式加速度计在环境依赖性和高精度方面有所欠缺。
为了获得更高的灵敏度，模态局部化检测原理慢慢受到重视。模态局部化(Mode-Localization)相关概念最早于1958年由美国物理学家Philip W.Anderson所提出的安德森理论中出现，该理论在振动力学中的体现为一个由多个谐振器组成的振动系统中，如果各个谐振器之间没有任何耦合连接，则单个谐振器都将以独立的振动模态振动，当每个谐振器之间存在一个非常小的弱耦合时，给其中一个谐振器一个微小的扰动，整个系统的振动模态会发生非常大的改变，振动能量将集中在某些特定谐振器上，各个谐振器也会产生不同的振动幅度。通常在MEMS器件中，研究者会将刚度或者质量作为微小扰动的载体，通过给特定谐振器一个很小的刚度或质量扰动，使得整个系统的振动模态发生改变，测量不同谐振器之间的振幅比，来检测敏感对象。相较于传统谐振式加速度计，模态局部化检测模式的灵敏度相较于传统谐振式加速度计可以提高两个数量级以上。但是模态局部化检测方案虽然大大提高了器件的精度，获得超高的灵敏度，却牺牲了测量量程，随着测量范围的增大，其输出线性度会急剧下降。
随着近年来科技水平的飞速发展，人们对于MEMS惯性传感器的性能要求越来越高，尤其是应用于航空航天领域的MEMS传感器来说，往往希望在满足大量程、大动态测量范围的同时也要有着非常高的精度。但是就上述总结的研究现状而言，基于频率检测的谐振式加速度计虽然满足大量程、高稳定性的技术指标，却受到各种限制无法达到更高的精度，而基于振幅比检测的模态局部化加速度计虽然通过新的检测原理获得超高的灵敏度，但是牺牲了测量范围，使得大量程、大动态测量范围和高精度往往无法兼顾。
综上所述，鉴于当前人们对于MEMS微机电加速度计的性能需求以及一些技术层面的共性问题，如何设计一种同时具备高精度、大量程、大动态测量范围的微机电加速度计成为本领域技术人员所亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种同时具备高精度、大量程、大动态测量范围等特点的微机电加速度计及其控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器，该加速度传感器包括工作平面结构层和固定结构；其中，
所述工作平面层包括一个为中空结构的敏感质量块，以及位于中空结构内侧的三个平行设置的谐振器，分别记为第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器；以工作平面层的中心点为原点建立包含X轴、Y轴的二维坐标系，X轴、Y轴作为水平方向基准，二者均与所述工作平面结构层的表面平行；三个谐振器平行于Y轴设置，所述第二谐振器的中心点与原点重合，所述第一谐振器与第三谐振器关于原点呈中心对称设置；相邻谐振器之间由平板电容结构构成静电耦合结构；
所述固定结构包括用于固定敏感质量块的若干锚点，且敏感质量块通过多个U型梁与锚点连接固定，还包括用于固定谐振器的若干锚点；
该加速度传感器包括基于模态局部化的振幅比检测和基于振梁式的频率检测两种工作模式；在基于模态局部化的振幅比检测模式下，加速度计通过第一谐振器和第三谐振器的振幅比敏感加速度，在基于振梁式的频率检测模式下，加速度计通过第一谐振器和第三谐振器的差分谐振频率敏感加速度。
进一步地，所述第一谐振器与第三谐振器的组成结构相同，谐振器一端由一个锚点固定，另一端通过一个惯性力放大杠杆结构连接敏感质量块，谐振器中段设置一组差分梳齿驱动检测结构和平板电容结构，其中差分梳齿驱动检测结构用于驱动谐振器运动同时检测谐振器的输出信号；所述第二谐振器的两端分别由一个锚点固定。
进一步地，所述差分梳齿驱动检测结构包括第一组固定极板和第二组固定极板，前者与谐振器构成差分梳齿驱动结构，用于驱动谐振器沿X轴方向振动，同时用于为第一谐振器与第三谐振器提供反相振动的驱动力，后者与谐振器构成差分梳齿检测结构，用于检测谐振器输出的振幅和频率信号；所述第一组固定极板包括构成U型结构的依次连接的第一固定极板、第二固定极板和第三固定极板，所述第二组固定极板包括构成U型结构的依次连接的第四固定极板、第五固定极板和第六固定极板，第二组固定极板嵌套于第一组固定极板内侧，且两者开口方向一致。
进一步地，所述平板电容结构采用等间距平板电容设计，即中间极板与两侧极板间距相同。
进一步地，所述U型梁开口方向均与X轴方向平行，使敏感质量块仅能沿Y轴方向运动。
一种检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器的控制方法，该方法控制加速度传感器在基于模态局部化的振幅比检测和基于振梁式的频率检测两种工作模式之间进行切换，具体地：
当外界输入加速度小于预设阈值时，三个谐振器处于不同的偏置电压，平板电容结构产生静电力并产生静电负刚度，使得三个谐振器构成静电弱耦合，当加速度沿Y方向输入时，敏感质量块在Y方向发生偏移，由惯性力放大杠杆结构传递惯性力使得第一谐振器、第三谐振器分别受到拉力或者压力，导致谐振器刚度发生不同变化，由于模态局部化检测特性谐振器的振动幅值发生明显变化，通过检测第一谐振器与第三谐振器的振幅比敏感加速度；
当外界输入加速度逐渐增大时，输出振幅比超过预设临界振幅比，外部控制电路控制第二谐振器的偏置电压取消，使得三个谐振器之间的静电力消失，即静电耦合取消，第一谐振器与第三谐振器作为差分振梁式敏感结构独立工作，输出第一谐振器与第三谐振器的频率差敏感加速度；反之当第一谐振器与第三谐振器处于频率检测模式时，随着加速度的减小，当检测到频率输出小于设置的临界频率时，外部控制电路恢复第二谐振器的偏置电压，输出第一谐振器与第三谐振器的振幅比敏感加速度。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明将模态局部化在小量程中高灵敏度、高分辨率、环境依赖性小和振梁式大量程、受电路噪声影响小、稳定性高结合，能实现基于模态局部化的振幅比检测和基于振梁式的频率检测两种模式的高效切换，使得加速度计能同时满足大量程、大动态测量范围和高精度的性能要求；具体地：对于测量低于所设临界加速度时采用基于模态局部化的振幅比检测模式，相较于传统的电容式、振梁式等微机电加速度计，基于模态局部化的振幅比检测模式拥有超高的灵敏度和较低的环境依赖性；当测量加速度高于预设值时，采用基于振梁式的频率检测模式，相较于现有技术中的电容式加速度计来说，该模式具有稳定性高、量程大、动态测量范围大的优点；通过控制电路对两者模式的实时切换，可实现大量程、大动态测量范围和高精度同时兼顾满足的高性能MEMS微机电加速度计；2)本发明为同领域内的其他技术方案提供参考依据，可以以此为基础进行拓展延伸，运用于其他与微机电加速度计有关的技术方案中，具有很高的使用及推广价值。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中平面结构层的平面结构示意图。
图2为一个实施例中平面结构层内部局部结构示意图，其中图(a)为单个谐振器的局部结构示意图，图(b)为三个谐振器的局部结构示意图。
图3为一个实施例中的控制方法示意图。
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。
在一个实施例中，结合图1，本发明提供了一种检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器，该加速度传感器包括工作平面结构层和固定结构；其中，
所述工作平面层包括一个为中空结构的敏感质量块1，以及位于中空结构内侧的三个平行设置的谐振器，分别记为第一谐振器2、第二谐振器3和第三谐振器4；以工作平面层的中心点为原点建立包含X轴、Y轴的二维坐标系，X轴、Y轴作为水平方向基准，二者均与所述工作平面结构层的表面平行；三个谐振器平行于Y轴设置，所述第二谐振器3的中心点与原点重合，所述第一谐振器2与第三谐振器4关于原点呈中心对称设置；相邻谐振器之间由平板电容结构10构成静电耦合结构；
所述固定结构包括用于固定敏感质量块1的若干锚点5a，且敏感质量块1通过多个U型梁6与锚点连接固定，还包括用于固定谐振器的若干锚点5b；
该加速度传感器包括基于模态局部化的振幅比检测和基于振梁式的频率检测两种工作模式；在基于模态局部化的振幅比检测模式下，加速度计通过第一谐振器2和第三谐振器4的振幅比敏感加速度，在基于振梁式的频率检测模式下，加速度计通过第一谐振器2和第三谐振器4的差分谐振频率敏感加速度。
进一步地，在其中一个实施例中，所述第一谐振器2与第三谐振器4的组成结构相同，谐振器一端由一个锚点5b固定，另一端通过一个惯性力放大杠杆结构9连接敏感质量块1，谐振器中段设置一组差分梳齿驱动检测结构和平板电容结构10，其中差分梳齿驱动检测结构用于驱动谐振器运动同时检测谐振器的输出信号；所述第二谐振器3的两端分别由一个锚点5b固定。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图2，所述差分梳齿驱动检测结构包括第一组固定极板和第二组固定极板，前者与谐振器构成差分梳齿驱动结构，用于驱动谐振器沿X轴方向振动，同时用于为第一谐振器2与第三谐振器4提供反相振动的驱动力，后者与谐振器构成差分梳齿检测结构，用于检测谐振器输出的振幅和频率信号；所述第一组固定极板包括构成U型结构的依次连接的第一固定极板7b、第二固定极板7a和第三固定极板7c，所述第二组固定极板包括构成U型结构的依次连接的第四固定极板8b、第五固定极板8a和第六固定极板8c，第二组固定极板嵌套于第一组固定极板内侧，且两者开口方向一致。
进一步地，在其中一个实施例中，所述平板电容结构10采用等间距平板电容设计，即中间极板与两侧极板间距相同。
进一步地，在其中一个实施例中，所述U型梁6开口方向均与X轴方向平行，使敏感质量块1仅能沿Y轴方向运动。
在一个实施例中，结合图3，提供了一种检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器的控制方法，该方法控制加速度传感器在基于模态局部化的振幅比检测和基于振梁式的频率检测两种工作模式之间进行切换，具体地：
当外界输入加速度小于预设阈值时，三个谐振器处于不同的偏置电压，平板电容结构10产生静电力并产生静电负刚度，使得三个谐振器构成静电弱耦合，当加速度沿Y方向输入时，敏感质量块1在Y方向发生偏移，由惯性力放大杠杆结构9传递惯性力使得第一谐振器2、第三谐振器4分别受到拉力或者压力，导致谐振器刚度发生不同变化，由于模态局部化检测特性谐振器的振动幅值发生明显变化，通过检测第一谐振器2与第三谐振器4的振幅比敏感加速度；
当外界输入加速度逐渐增大时，输出振幅比超过预设临界振幅比，外部控制电路控制第二谐振器3的偏置电压取消，使得三个谐振器之间的静电力消失，即静电耦合取消，第一谐振器2与第三谐振器4作为差分振梁式敏感结构独立工作，输出第一谐振器2与第三谐振器4的频率差敏感加速度；反之当第一谐振器2与第三谐振器4处于频率检测模式时，随着加速度的减小，当检测到频率输出小于设置的临界频率时，外部控制电路恢复第二谐振器3的偏置电压，输出第一谐振器2与第三谐振器4的振幅比敏感加速度。
以下通过对本发明应用原理的具体阐释进一步说明上述技术方案。
本发明提出的一种新型检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器，其目的为实现大量程、大动态测量范围和高精度同时兼顾满足的高性能MEMS微机电加速度计。
如图1所示，所述加速度传感器测量Y轴方向加速度，当Y轴方向有加速度输入时，敏感质量块1在Y轴方向产生位移，由于第一谐振器2与第三谐振器4的中心对称设计，敏感质量块1产生的惯性力通过惯性力放大杠杆结构9传递到第一谐振器2与第三谐振器4上的应力是相反的拉力和压力，使得两个谐振器的等效刚度发生变化，分别为km1+Δk+和km3+Δk-(其中km1、km3分别为第一谐振器2与第三谐振器4初始的机械刚度，Δk+、Δk-分别是第一谐振器2与第三谐振器4受到压力或者压力导致的刚度变化量)。
当加速度较低时，加速度计处于基于模态局部化的振幅比检测模式，该模式下三个谐振器均存在偏置电压且相邻之间存在电势差，则等间距平板电容结构10产生的静电力为：
Figure BDA0002959474270000061
其中，ε为相对介电常数，A为极板重合面积，V为两极板电势差，d为极板间距，则产生的静电耦合刚度为：
Figure BDA0002959474270000062
对于处于基于模态局部化的振幅比检测模式的加速度计来说，三个谐振器为三自由度模态局部化耦合系统，其振动方程在不考虑阻尼情况下可以表示为：
Figure BDA0002959474270000063
其中，下标1、2、3分别代表第一谐振器2、第二谐振器3和第三谐振器4，x代表振动位移，m代表等效质量，Fd代表差分梳齿驱动电极产生的驱动力。由此通过检测第一谐振器2与第三谐振器4的振幅比
Figure BDA0002959474270000071
来敏感加速度。
当加速度计处于基于振梁式的频率检测模式时，第二谐振器3的偏置电压取消，即三个谐振器之间不再存在静电耦合，第一谐振器2与第三谐振器4将作为独立的谐振器工作，由于加速度导致第一谐振器2、第三谐振器4的等效刚度发生变化，则谐振频率可以表示为：
Figure BDA0002959474270000072
由此通过检测第一谐振器2、第三谐振器4的频差Δf＝f3-f1来敏感加速度。
当外界输入加速度较小时，三个谐振器处于不同的偏置电压，平电容结构10产生静电力并产生静电负刚度，使得三个谐振器构成静电弱耦合，通过检测第一谐振器2、第三谐振器4的振幅比敏感加速度；当加速度逐渐增大时，输出振幅比超过预设临界振幅比，控制电路控制第二谐振器3的偏置电压取消，使得三个谐振器之间的静电力消失，即静电耦合取消，第一谐振器2、第三谐振器4作为差分振梁式敏感结构独立工作，输出第一谐振器2、第三谐振器4的频率差敏感加速度；反之当第一谐振器2、第三谐振器4处于频率检测模式时，随着加速度的减小，当检测到频率输出小于设置的临界频率时，控制电路恢复第二谐振器3的偏置电压，输出第一谐振器2、第三谐振器4的振幅比。
由此，实现本发明所述的检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器及其控制方法。
综上所述，本发明所提供的检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器及其控制方法，可以实现大量程、大动态测量范围和高精度同时兼顾满足的高性能MEMS微机电加速度计设计要求。
此外，本发明也为同领域内的其他技术方案提供参考依据，可以以此为基础进行拓展延伸，运用于其他与微机电加速度计有关的技术方案中，具有很高的使用及推广价值。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
最后，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员成当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器，其特征在于，该加速度传感器包括工作平面结构层和固定结构；其中，
所述工作平面结构层包括一个为中空结构的敏感质量块（1），以及位于中空结构内侧的三个平行设置的谐振器，分别记为第一谐振器（2）、第二谐振器（3）和第三谐振器（4）；以工作平面层的中心点为原点建立包含X轴、Y轴的二维坐标系，X轴、Y轴作为水平方向基准，二者均与所述工作平面结构层的表面平行；三个谐振器平行于Y轴设置，所述第二谐振器（3）的中心点与原点重合，所述第一谐振器（2）与第三谐振器（4）关于原点呈中心对称设置；相邻谐振器之间由平板电容结构（10）构成静电耦合结构；
所述固定结构包括用于固定敏感质量块（1）的若干锚点（5a），且敏感质量块（1）通过多个U型梁（6）与锚点连接固定，还包括用于固定谐振器的若干锚点（5b）；
该加速度传感器包括基于模态局部化的振幅比检测和基于振梁式的频率检测两种工作模式；在基于模态局部化的振幅比检测模式下，加速度计通过第一谐振器（2）和第三谐振器（4）的振幅比敏感加速度，在基于振梁式的频率检测模式下，加速度计通过第一谐振器（2）和第三谐振器（4）的差分谐振频率敏感加速度；
所述检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器的控制方法为：控制加速度传感器在基于模态局部化的振幅比检测和基于振梁式的频率检测两种工作模式之间进行切换，具体地：
当外界输入加速度小于预设阈值时，三个谐振器处于不同的偏置电压，平板电容结构（10）产生静电力并产生静电负刚度，使得三个谐振器构成静电弱耦合，当加速度沿Y方向输入时，敏感质量块（1）在Y方向发生偏移，由惯性力放大杠杆结构（9）传递惯性力使得第一谐振器（2）、第三谐振器（4）分别受到拉力或者压力，导致谐振器刚度发生不同变化，由于模态局部化检测特性谐振器的振动幅值发生明显变化，通过检测第一谐振器（2）与第三谐振器（4）的振幅比敏感加速度；
当外界输入加速度逐渐增大时，输出振幅比超过预设临界振幅比，外部控制电路控制第二谐振器（3）的偏置电压取消，使得三个谐振器之间的静电力消失，即静电耦合取消，第一谐振器（2）与第三谐振器（4）作为差分振梁式敏感结构独立工作，输出第一谐振器（2）与第三谐振器（4）的频率差敏感加速度；反之当第一谐振器（2）与第三谐振器（4）处于频率检测模式时，随着加速度的减小，当检测到频率输出小于设置的临界频率时，外部控制电路恢复第二谐振器（3）的偏置电压，输出第一谐振器（2）与第三谐振器（4）的振幅比敏感加速度。
2.根据权利要求1所述的检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器，其特征在于，所述第一谐振器（2）与第三谐振器（4）的组成结构相同，谐振器一端由一个锚点（5b）固定，另一端通过一个惯性力放大杠杆结构（9）连接敏感质量块（1），谐振器中段设置一组差分梳齿驱动检测结构和平板电容结构（10），其中差分梳齿驱动检测结构用于驱动谐振器运动同时检测谐振器的输出信号；所述第二谐振器（3）的两端分别由一个锚点（5b）固定。
3.根据权利要求2所述的检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器，其特征在于，所述差分梳齿驱动检测结构包括第一组固定极板和第二组固定极板，前者与谐振器构成差分梳齿驱动结构，用于驱动谐振器沿X轴方向振动，同时用于为第一谐振器（2）与第三谐振器（4）提供反相振动的驱动力，后者与谐振器构成差分梳齿检测结构，用于检测谐振器输出的振幅和频率信号；所述第一组固定极板包括构成U型结构的依次连接的第一固定极板（7b）、第二固定极板（7a）和第三固定极板（7c），所述第二组固定极板包括构成U型结构的依次连接的第四固定极板（8b）、第五固定极板（8a）和第六固定极板（8c），第二组固定极板嵌套于第一组固定极板内侧，且两者开口方向一致。
4.根据权利要求2所述的检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器，其特征在于，所述平板电容结构（10）采用等间距平板电容设计，即中间极板与两侧极板间距相同。
5.根据权利要求1所述的检测模式可切换的高精度、大量程加速度传感器，其特征在于，所述U型梁（6）开口方向均与X轴方向平行，使敏感质量块（1）仅能沿Y轴方向运动。
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