CN114594280A - 基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计及系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计及系统和方法，通过增设多组梳齿可动极板与梳齿固定极板并进行可编程控制，基于静电刚度软化机理及静电平衡闭环反馈机理，调节梳齿固定极板处施加偏置电压大小，利用静电力补偿质量块所受加速度影响产生的惯性力，最终使振荡器频率始终稳定在一定范围内，巧妙扩大了加速度计能够有效测量的范围，实际应用时具有量程自适应性，解决了量程和分辨率相互制约的技术难题，开拓了谐振式加速度计在高精尖领域的更好应用。

Description

基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计及系统和方法

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)传感器技术领域，特别涉及一种基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计及系统和方法。

背景技术

MEMS加速度计在微型惯导系统，智能装备制造，机械状态监测等高精尖领域应用广泛，为了适应复杂环境变化的需求，对加速度计的性能提出了极高的要求。基于微机械加工技术的谐振式加速度计以频率信号作为输出，在数据的传输以及处理中不易出现误差，具有精度高，动态范围大，抗干扰能力强，稳定性好等特点，成为近年来微加速度计领域研究的热点之一。

随着科学技术的发展，小型化、高分辨率、大量程已成为谐振式加速度计主要的研究方向。分析加速度计的相关研究可以发现，加速度计的量程和分辨率存在相互制约关系，国内外多数研究只针对单一性能提出改良方案，鲜有能够同时提升二者的文献或专利。例如专利CN103969467A利用缓冲块大幅提升了加速度计量程至950000g，但相应地，其分辨率远不能达到μg级别。2017年，斯坦福大学将谐振式加速度计的分辨率提高到0.16μg,但其测量范围只有±1g，严重限制了谐振式加速度计的应用范围。2019年，中科院研究所研制的一系列低噪声谐振式加速度计，其最好的分辨率可达ng级别，但其测量范围仍然在±1g范围内。因此，实现量程和分辨率的同时优化，研发出一款高性能的具有量程自适应的谐振加速度计，具有十分重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计及系统和方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明基于静电刚度软化及静电平衡反馈机理，能够在大量程范围内依然具有极高的分辨率，且结构简单，制造方便。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计，包括质量块，所述质量块为对称结构，质量块的上端设置有第一音叉，下端对应设置有第二音叉，所述质量块的左右两侧分别设置有两个固定锚点，每个固定锚点上设置有梳齿固定极板，且质量块的左右两侧设置与梳齿固定极板对应的梳齿可动极板，在使用过程中，通过固定锚块向梳齿固定极板上施加偏置电压，使梳齿固定极板与梳齿可动极板之间产生静电力实现加速度作用下的惯性力补偿。

进一步地，所述质量块的一侧沿中心对称设置有第五固定锚点和第八固定锚点，另一侧沿中心对称设置有第六固定锚点和第七固定锚点；所述第五固定锚点，第六固定锚点，第七固定锚点和第八固定锚点上均设置有多个梳齿固定极板，质量块上对应第五固定锚点，第六固定锚点，第七固定锚点和第八固定锚点的位置设置有多个梳齿可动极板。

进一步地，每个固定锚点处梳齿固定极板的数量与梳齿可动极板的数量相等，且梳齿固定极板和梳齿可动极板通过叉齿组合形成梳齿结构，每个所述梳齿结构包括25个梳齿固定极板及25个梳齿可动极板。

进一步地，所述第五固定锚点和第六固定锚点处的梳齿固定极板设置在对应梳齿可动极板的上方，第七固定锚点和第八固定锚点处的梳齿固定极板设置在对应梳齿可动极板的下方。

进一步地，所述梳齿可动极板与相邻的梳齿固定极板之间的间隙为2μm～5μm，相邻的梳齿固定极板或梳齿可动极板之间的距离为14μm～20μm。

进一步地，所述梳齿固定极板与相邻的梳齿可动极板相对正对区域长度120μm～150μm，所述梳齿固定极板与梳齿可动极板的宽度为8μm～10μm，所述梳齿固定极板与梳齿可动极板的长度为160μm～300μm。

进一步地，所述质量块左侧部分的上下两侧分别设置有第二固定锚点和第三固定锚点，所述质量块右侧部分的上下两侧分别设置有第一固定锚点和第四固定锚点，所述第一固定锚点、第二固定锚点、第三固定锚点和第四固定锚点分别通过第一弹性梁、第二弹性梁、第三弹性梁和第四弹性梁与质量块连接。

进一步地，所述质量块的上侧和下侧分别设置有限位机构，所述限位机构与质量块之间的距离小于梳齿固定极板与梳齿可动极板之间的距离。

基于静电平衡的量程自适应闭环反馈控制系统，包括增压模块、FPGA控制系统及闭环振荡电路，所述质量块的左右两侧的固定锚点分别经增压模块和FPGA控制系统与闭环振荡电路连接，所述闭环振荡电路与第一音叉连接，用于使第一音叉始终处于共振状态，同时利用FPGA系统进行频率读取，根据频率的变化通过增压模块调节固定锚点处静电力的大小。

基于静电平衡的量程自适应闭环反馈控制方法，首先设定加速度计的工作频移带宽，然后对加速度计施加加速度，读取第一音叉的输出频率，判断该频率是否超出工作频移带宽，如果未超过低频工作频移带宽，则根据频率变化测量得到实际加速度；如果超出工作频移带宽，依据当前频率的变化，计算在梳齿固定极板与梳齿可动极板之间需要的补偿电压进行惯性力补偿，使质量块重新回到初始位置，则此时加速度由频率的变化和补充电压的变化共同求得。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明在传统谐振式加速度计两侧增添四组梳齿配合结构，使固定锚块处的梳齿固定极板与质量块处的梳齿可动极板进行插齿组合，在敏感轴双向实现质量块位移的动态调节，拓展了加速度计量程。

使用时，在四组梳齿固定极板处施加偏置电压，基于静电刚度软化机理，传感器系统的有效刚度大大减小，极大地提高了加速度计的灵敏度和分辨率。

本发明基于静电平衡机理，开发了一种基于FPGA的闭环静电平衡反馈控制系统，根据所受加速度的大小，实时监测音叉的频率，通过该静电平衡闭环系统使振荡器的频率始终稳定在一定范围内，兼顾高分辨率和量程自适应的特点。

本发明也通过两个谐振器实现差分优化，消除了温度一阶共模影响，提高了加速度计的零偏稳定性和精确性。

综合来说，本发明通过静电刚度软化机理，提高了谐振式加速度计分辨率；同时，通过静电平衡闭环控制手段将振荡器的本征频率始终稳定在一定范围内，保证了即使在高g值加速度作用下传感器仍具有高分辨率且能稳定工作，巧妙扩大了加速度计能够有效测量的范围，满足了实际应用时对不同带宽的需求，具有量程自适应性特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明基于静电平衡的量程自适应谐振加速度计的结构示意图；

图2为梳齿可动极板与梳齿固定极板配合处的局部放大图；

图3为基于静电平衡的量程自适应的闭环反馈控制流程图；

图4为基于静电平衡的量程自适应的闭环反馈控制系统示意图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例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”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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装置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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计，在传统谐振式加速度计的基础上添加四组梳齿配合结构，通过梳齿固定极板与梳齿可动极板相互组合，对梳齿固定极板施加不同的电压，利用静电力补偿质量块受加速度作用产生的惯性力，最终使振荡器频率始终稳定在一定范围内，扩大了谐振式加速度计所能测量的加速度有效范围。本发明也开发了一种基于FPGA的静电平衡闭环反馈控制系统，利用谐振器频率的变化量得出需要施加的平衡电压作为反馈电压，使整个系统始终处于动态平衡状态。于此，有效地实现了加速度计带宽扩展功能，兼顾提升了加速度计的零偏稳定性，开拓了谐振式加速度计在高精尖领域的更好应用。

具体地，本发明在不对传统谐振加速度计结构做较大改变的情况下，通过增添多组可动梳齿与固定梳齿结构并进行可编程控制实现谐振式加速度计的量程自适应，解决了量程和分辨率受限的矛盾，且结构原理简单，整体易于实现加工。

优化地，通过在梳齿固定极板处施加偏置电压用作静电刚度软化，同时，通过静电平衡闭环控制系统读取频率，将频率的变化转换为电压变化，该电压变化作为反馈电压用于静电力补偿，将振荡器的本征频率始终限制在一定范围内。

优化地，为防止施加电压导致加速度计敏感方向测量敏感度降低，第五固定锚点5-1和第八固定锚点5-4，第六固定锚点5-2和第七固定锚点5-3沿中心对称设置。

优化地，固定锚点经增压模块和FPGA系统与闭环振荡电路连接，闭环振荡电路保证第一音叉始终处于共振状态，通过FPGA实时读取音叉的输出频率并进行处理，通过增压模块，使整个系统完成电压与频率相互控制的闭环控制过程。

优化地，第五固定锚点5-1和第六固定锚点5-2处的梳齿固定极板对应设置在梳齿可动极板的上方，第七固定锚点5-3和第八固定锚点5-4处的梳齿固定极板对应设置在梳齿可动极板的下方，以此实现在竖直敏感方向上正负双向的带宽扩展测量。

优化地，为了避免由于梳齿可动极板与梳齿固定极板之间的配合间距太小而导致静电力过大，进而发生吸合效应，造成加速度计不能正常工作。故梳齿固定极板与梳齿可动极板之间的相对间隙为2μm～5μm，梳齿可动极板的任意相邻极板距离为14μm～20μm。

优化地，平行板的正对区域大小也影响着静电力的线性度，为避免非线性过大，梳齿固定极板与梳齿可动极板相对正对区域(即投影重合部分)的长度为120μm～150μm；同时，为了避免尺度效应，梳齿极板的尺寸不能太小，梳齿可动极板与梳齿固定极板的宽度均为8μm～15μm，梳齿可动极板与梳齿固定极板的长度均为160μm～300μm。

优化地，固定锚点通过弹性梁与质量块连接可等效为“质量-弹簧-阻尼”系统，同时限制了水平方向的位移，减小了交叉灵敏度，提高了结构稳定性。

优化地，在质量块1的上侧和下侧分别设置限位机构，防止猛增的过大加速度及吸合效应下导致的加速度计整体结构的破坏。

优化地，为了满足量程使用要求以及避免达到吸合距离，限位结构与质量块1之间的距离为1μm～4μm，略小于梳齿可动极板与梳齿固定极板之间的间隙。

下面结合具体实施例对本发明做详细描述：

请参阅图1，本发明一种基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计，包括质量块1，第一音叉2-1，第二音叉2-2，第一弹性梁3-1，第二弹性梁3-2，第三弹性梁3-3，第四弹性梁3-4，第一固定锚点4-1，第二固定锚点4-2，第三固定锚点4-3，第四固定锚点4-4，第五固定锚点5-1，第六固定锚点5-2，第七固定锚点5-3，第八固定锚点5-4，第一限位机构8-1，第二限位机构8-2，第三限位机构8-3，第四限位机构8-4。

质量块1上侧设置有第一音叉2-1，下侧对应设置有第二音叉2-2；质量块1的两侧从上至下分别设置有两组梳齿可动极板，每组梳齿可动极板包括25个平行极板，质量块1的两侧对应梳齿可动极板处分别设置有第五固定锚点5-1，第六固定锚点5-2，第七固定锚点5-3，第八固定锚点5-4；各个固定锚点对应梳齿可动极板的位置处设置有梳齿固定极板，梳齿固定极板与对应的梳齿可动极板之间采用叉齿方式配合。

质量块1上方和下方分别设置有限位机构，限位结构设置在质量块的四个边角，分别为：右上处第一限位机构8-1，左上处第二限位机构8-2，左下处第三限位机构8-3，右下处第四限位机构8-4。

质量块1靠近第五固定锚点5-1处设置有第一固定锚点4-1，第一固定锚点4-1通过第一弹性梁3-1与质量块1连接；质量块1靠近第六固定锚点5-2处设置有第二固定锚点4-2，第二固定锚点4-2通过第二弹性梁3-2与质量块1连接；质量块1靠近第七固定锚点5-3处设置有第三固定锚点4-3，第三固定锚点4-3通过第三弹性梁3-3与质量块1连接；质量块1靠近第八固定锚点5-4处设置有第四固定锚点4-4，第四固定锚点4-4通过第四弹性梁3-4与质量块1连接。

依据本实施例中谐振加速度计的相关参数以及设计要求，结合所需静电力大小综合考虑，在第五固定锚点5-1，第六固定锚点5-2，第七固定锚点5-3，第八固定锚点5-4设置有25个梳齿固定极板，四个固定锚点处一共设置有100个梳齿固定极板，质量块1的侧边对应每个固定极板一共设置有100个梳齿可动极板。加速度计通过第一固定锚点4-1，第二固定锚点4-2，第三固定锚点4-3，第四固定锚点4-4键合固定，通过第五固定锚点5-1，第六固定锚点5-2，第七固定锚点5-3，第八固定锚点5-4给100个固定极板施加电信号。

其中，第五固定锚点5-1处共包含25个梳齿固定极板，具体为第一梳齿固定极板6-1、第二梳齿固定极板6-2、第三梳齿固定极板6-3、第四梳齿固定极板6-4、第五梳齿固定极板6-5、第六梳齿固定极板6-6、第七梳齿固定极板6-7、第八梳齿固定极板6-8、第九梳齿固定极板6-9、第十梳齿固定极板6-10、第十一梳齿固定极板6-11、第十二梳齿固定极板6-12、第十三梳齿固定极板6-13、第十四梳齿固定极板6-14、第十五梳齿固定极板6-15、第十六梳齿固定极板6-16、第十七梳齿固定极板6-17、第十八梳齿固定极板6-18、第十九梳齿固定极板6-19、第二十梳齿固定极板6-20、第二十一梳齿固定极板6-21、第二十二梳齿固定极板6-22、第二十三梳齿固定极板6-23、第二十四梳齿固定极板6-24、第二十五梳齿固定极板6-25。

第六固定锚点5-2处共包含25个梳齿固定极板，具体为第二十六梳齿固定极板6-26、第二十七梳齿固定极板6-27、第二十八梳齿固定极板6-28、第二十九梳齿固定极板6-29、第三十梳齿固定极板6-30、第三十一梳齿固定极板6-31、第三十二梳齿固定极板6-32、第三十三梳齿固定极板6-33、第三十四梳齿固定极板6-34、第三十五梳齿固定极板6-35、第三十六梳齿固定极板6-36、第三十七梳齿固定极板6-37、第三十八梳齿固定极板6-38、第三十九梳齿固定极板6-39、第四十梳齿固定极板6-40、第四十一梳齿固定极板6-41、第四十二梳齿固定极板6-42、第四十三梳齿固定极板6-43、第四十四梳齿固定极板6-44、第四十五梳齿固定极板6-45、第四十六梳齿固定极板6-46、第四十七梳齿固定极板6-47、第四十八梳齿固定极板6-48、第四十九梳齿固定极板6-49、第五十梳齿固定极板6-50。

第七固定锚点5-3处共包含25个梳齿固定极板，具体为第五十一梳齿固定极板6-51、第五十二梳齿固定极板6-52、第五十三梳齿固定极板6-53、第五十四梳齿固定极板6-54、第五十五梳齿固定极板6-55、第五十六梳齿固定极板6-56、第五十七梳齿固定极板6-57、第五十一八梳齿固定极板6-58、第五十九梳齿固定极板6-59、第六十梳齿固定极板6-60、第六十一梳齿固定极板6-61、第六十二梳齿固定极板6-62、第六十三梳齿固定极板6-63、第六十四梳齿固定极板6-64、第六十五梳齿固定极板6-65、第六十六梳齿固定极板6-66、第六十七梳齿固定极板6-67、第六十八梳齿固定极板6-68、第六十九梳齿固定极板6-69、第七十梳齿固定极板6-70、第七十一梳齿固定极板6-71、第七十二梳齿固定极板6-72、第七十三梳齿固定极板6-73、第七十四梳齿固定极板6-74和第七十五梳齿固定极板6-75。

第八固定锚点5-4处共包含25个梳齿固定极板，具体为第七十六梳齿固定极板6-76、第七十七梳齿固定极板6-77、第七十八梳齿固定极板6-78、第七十九梳齿固定极板6-79、第八十梳齿固定极板6-80、第八十一梳齿固定极板6-81、第八十二梳齿固定极板6-82、第八十三梳齿固定极板6-83、第八十四梳齿固定极板6-84、第八十五梳齿固定极板6-85、第八十六梳齿固定极板6-86、第八十七梳齿固定极板6-87、第八十八梳齿固定极板6-88、第八十九梳齿固定极板6-89、第九十梳齿固定极板6-90、第九十一梳齿固定极板6-91、第九十二梳齿固定极板6-92、第九十三梳齿固定极板6-93、第九十四梳齿固定极板6-94、第九十五梳齿固定极板6-95、第九十六梳齿固定极板6-96、第九十七梳齿固定极板6-97、第九十八梳齿固定极板6-98、第九十九梳齿固定极板6-99和第一百梳齿固定极板6-100。

质量块1的右侧设置有第一梳齿可动极板7-1、第二梳齿可动极板7-2、第三梳齿可动极板7-3、第四梳齿可动极板7-4、第五梳齿可动极板7-5、第六梳齿可动极板7-6、第七梳齿可动极板7-7、第八梳齿可动极板7-8、第九梳齿可动极板7-9、第十梳齿可动极板7-10、第十一梳齿可动极板7-11、第十二梳齿可动极板7-12、第十三梳齿可动极板7-13、第十四梳齿可动极板7-14、第十五梳齿可动极板7-15、第十六梳齿可动极板7-16、第十七梳齿可动极板7-17、第十八梳齿可动极板7-18、第十九梳齿可动极板7-19、第二十梳齿可动极板7-20、第二十一梳齿可动极板7-21、第二十二梳齿可动极板7-22、第二十三梳齿可动极板7-23、第二十四梳齿可动极板7-24、第二十五梳齿可动极板7-25；第七十六梳齿可动极板7-76、第七十七梳齿可动极板7-77、第七十八梳齿可动极板7-78、第七十九梳齿可动极板7-79、第八十梳齿可动极板7-80、第八十一梳齿可动极板7-81、第八十二梳齿可动极板7-82、第八十三梳齿可动极板7-83、第八十四梳齿可动极板7-84、第八十五梳齿可动极板7-85、第八十六梳齿可动极板7-86、第八十七梳齿可动极板7-87、第八十八梳齿可动极板7-88、第八十九梳齿可动极板7-89、第九十梳齿可动极板7-90、第九十一梳齿可动极板7-91、第九十二梳齿可动极板7-92、第九十三梳齿可动极板7-93、第九十四梳齿可动极板7-94、第九十五梳齿可动极板7-95、第九十六梳齿可动极板7-96、第九十七梳齿可动极板7-97、第九十八梳齿可动极板7-98、第九十九梳齿可动极板7-99和第一百梳齿可动极板7-100。

质量块1的左侧设置有第二十六梳齿可动极板7-26、第二十七梳齿可动极板7-27、第二十八梳齿可动极板7-28、第二十九梳齿可动极板7-29、第三十梳齿可动极板7-30、第三十一梳齿可动极板7-31、第三十二梳齿可动极板7-32、第三十三梳齿可动极板7-33、第三十四梳齿可动极板7-34、第三十五梳齿可动极板7-35、第三十六梳齿可动极板7-36、第三十七梳齿可动极板7-37、第三十八梳齿可动极板7-38、第三十九梳齿可动极板7-39、第四十梳齿可动极板7-40、第四十一梳齿可动极板7-41、第四十二梳齿可动极板7-42、第四十三梳齿可动极板7-43、第四十四梳齿可动极板7-44、第四十五梳齿可动极板7-45、第四十六梳齿可动极板7-46、第四十七梳齿可动极板7-47、第四十八梳齿可动极板7-48、第四十九梳齿可动极板7-49、第五十梳齿可动极板7-50；第五十一梳齿可动极板7-51、第五十二梳齿可动极板7-52、第五十三梳齿可动极板7-53、第五十四梳齿可动极板7-54、第五十五梳齿可动极板7-55、第五十六梳齿可动极板7-56、第五十七梳齿可动极板7-57、第五十八梳齿可动极板7-58、第五十九梳齿可动极板7-59、第六十梳齿可动极板7-60、第六十一梳齿可动极板7-61、第六十二梳齿可动极板7-62、第六十三梳齿可动极板7-63、第六十四梳齿可动极板7-64、第六十五梳齿可动极板7-65、第六十六梳齿可动极板7-66、第六十七梳齿可动极板7-67、第六十八梳齿可动极板7-68、第六十九梳齿可动极板7-69、第七十梳齿可动极板7-70、第七十一梳齿可动极板7-71、第七十二梳齿可动极板7-72、第七十三梳齿可动极板7-73、第七十四梳齿可动极板7-74和第七十五梳齿可动极板7-75。

第五固定锚点5-1和第六固定锚点5-2处的梳齿固定极板位于对应梳齿可动极板的上方，第七固定锚点5-3和第八固定锚点5-4处的梳齿固定极板位于对应梳齿可动极板的下方。

第一限位机构8-1，第二限位机构8-2，第三限位机构8-3，第四限位机构8-4距离质量块1的距离略小于梳齿固定极板与其相互配合的梳齿可动极板之间的间隙，为1μm～4μm。

请参阅图2，梳齿固定极板与梳齿可动极板之间的相对间隙为2μm～5μm，梳齿固定极板任意相邻极板或梳齿可动极板任意相邻极板之间的距离为14μm～20μm。梳齿固定极板与梳齿可动极板相对正对区域长度120μm～150μm，极板宽度8μm～15μm，极板长度160μm～300μm。

对第五固定锚点5-1处梳齿固定极板与质量块1处梳齿可动极板的插齿结构进行放大，以前两组极板配合为例，第一梳齿可动极板7-1，第二梳齿可动极板7-2分别与第一梳齿固定极板6-1，第二梳齿固定极板6-2之间的距离为2μm～5μm，第一梳齿可动极板7-1与第二梳齿可动极板之间距离为14μm～20μm，第一梳齿固定极板6-1与第二梳齿固定极板6-2之间距离为14μm～20μm。

本发明通过静电力反馈实现一种补偿功能，加速度计上半部分与下半部分梳齿固定极板和梳齿可动极板的排放位置稍有不同，上半部分为梳齿固定极板高于梳齿可动极板，下半部分为梳齿可动极板高于梳齿固定极板，以此对加速度计在敏感轴正负双向上都能够实现补偿，使得谐振加速度计在受到不同方向加速度时，质量块都能保持较小位移，从而达到扩大加速度计量程的目的。

对固定锚点5-1～5-4处梳齿固定极板施加能够保证系统稳定的偏置电压，在静电力的作用下，弱化了支撑梁的刚度，标度因子较未施加静电力结构大幅提升，从而提高谐振加速度计在测量范围内的分辨率。

当加速度计工作时，假设加速度计具有Y轴负方向上加速度，则通过外部电路给第一固定锚点5-1，第二固定锚点5-2处的梳齿固定极板施加一定的电信号，此时梳齿固定极板与对应的梳齿可动极板产生静电力，因第一梳齿固定极板6-1与第一梳齿可动极板7-1之间的距离小于第二梳齿固定极板6-2与第二梳齿可动极板7-1之间的距离，其静电力方向为Y轴正向，其余极板间同理，因而在梳齿固定极板与对应的梳齿可动极板之间均产生Y轴正向静电力，该静电力用来补偿Y轴负向的加速度。

对上述加速度计的工作过程进行建模，静电力F计算如下：

其中，ε₀为极板面积，A为极板正对面积，d为极板间间隙，V为极板间电势差。

设所有的机械项(惯性、阻尼和弹簧的刚度)是线性的，同时设极板的运动是理想化的，即梳齿可动极板只能在与固定极板垂直的方向运动，并且梳齿可动极板的所有点的移动是一样的，基于此对系统进行受力分析，由牛顿第二定律得：

F_静-F_弹-F_重-F_阻＝ma

故：

其中，m为系统可动部分的等效质量；b为阻尼系数；k为系统等效刚度；ε为空气的介电常数；A为极板的正对面积；

为加速度；

为速度；d₀为梳齿可动极板与梳齿固定极板之间的初始距离，x为梳齿可动极板距离初始位置的位移。

当质量块受到静态加速度时，即

时

故：

不同加速度下质量块的偏移位置对应不同的电压值，对固定锚点施加相应的电信号即可使质量块恢复至初始位置。同理，若加速度计具有Y轴正方向上的加速度，则对第七固定锚点5-3，第八固定锚点5-4施加相应的电信号，则梳齿固定极板与对应的梳齿可动极板之间产生Y轴负向的静电力，从而对Y轴正向的加速度进行补偿抵消。通过对第五固定锚点5-1和第六固定锚点5-2处的梳齿固定极板与梳齿可动极板，第七固定锚点5-3和第八固定锚点5-4处的梳齿固定极板与梳齿可动极板的不同排列，实现对谐振加速度计整个敏感轴方向上的加速度测量。

在质量块1的周围设置第一限位机构8-1，第二限位机构8-2，第三限位机构8-3，第四限位机构8-4，梳齿可动极板不会与梳齿固定极板发生碰撞，能够有效防止因极板之间电压超过某一特定值时，极板迅速吸合到一起，进而导致加速度计结构的破坏，故设置质量块1与第一限位机构8-1，第二限位机构8-2，第三限位机构8-3，第四限位机构8-4之间的距离为2μm，小于梳齿固定极板和梳齿可动极板之间的相对间隙。

请参阅图3，首先设定好加速度计的工作频移带宽，然后对该加速度计施加加速度a，读取音叉输出频率，判断该频率是否超出工作频移带宽，如果没有超过低频工作频移带宽，则根据频率变化测量得到实际加速度；如果超出工作频移带宽，依据当前频率的变化，通过整个控制系统计算在固定极板组处需要新增/减补偿电压进行惯性力补偿，使质量块重新回到初始位置，则此时加速度由频率的变化和新增/减电压的变化共同求得。对音叉频率变化进行实时监控，判断输出频率与工作频移带宽的关系进行相应处理，从而系统始终处在动态平衡状态。

因此，通过设定一个有效的工作频移带宽，利用读频电路实时监测加速度计的第一音叉2-1和第二音叉2-2频率，如果超过设定的工作频移带宽，则通过计算频差大小控制应在第一固定锚点4-1，第二固定锚点4-2或第三固定锚点4-3，第四固定锚点4-4处施加的反馈电信号的大小，从而利用可动极板间产生的静电力进行惯性力作用下加速度的补偿，使谐振振荡器能够稳定在一定范围内，扩大加速度计的量程。

对于梳齿可动极板来说，与质量块1电位相同。梳齿固定极板与梳齿可动极板之间产生电势差的大小取决于梳齿固定极板上施加的反馈电压大小。

请参阅图4，本发明基于静电平衡的量程自适应的闭环反馈控制系统包含两个闭环电路，其一是自激振荡闭环回路，整个自激振荡闭环回路能够实现音叉频率值的稳定、持续、快速读取。其二是整体的静电平衡闭环控制回路，在自激振荡回路基础上，增添一个FPGA系统，用于实时读取音叉的输出频率，并与预设的工作频移带宽进行比较，当超出谐振器有效工作范围时，根据频率的变化通过算法计算所需新增/减的补偿电压，通过增压模块对第五固定锚点5-1，第六固定锚点5-2或第七固定锚点5-3和第八固定锚点5-4处施加相应的偏置电压。此时，因音叉及质量块整体电压为0V，故在固定锚点处的固定极板与质量块处的可动极板产生一定静电力，能对加速度作用下产生的惯性力进行补偿，在该静电平衡闭环控制回路的作用下，整个系统始终处于动态平衡状态。

本发明的工作原理如下：

本实施例在敏感轴方向上对谐振加速度计施加加速度，通过实时监测读取音叉的频率，与设定的加速度计工作频移带宽进行比较。对于谐振加速度计，频率的变化量与质量块的位移始终保持一定的线性关系，因此通过施加与加速度反向的静电力控制质量块的位移变化，使其尽可能保持在初始平衡位置。故利用频率的变化量，调节施加在第五固定锚点5-1，第六固定锚点5-2或第七固定锚点5-3，第八固定锚点5-4处的电信号，通过静电力对加速度作用下产生的惯性力进行补偿，使得谐振加速度计即使在超过有效频移带宽时仍能被补偿拉回至有效的频移带宽范围内，扩大了能测量的有效加速度范围。

本发明提出的静电刚度软化机理能够大幅提升加速度传感器的分辨率，提出的静电平衡闭环控制方法能够将敏感谐振器的本征频率锁定在一定范围，从效果上大幅扩展了有效带宽，提升了谐振式加速度传感器的量程，实际应用中，同时兼顾高分辨率和量程自适应性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计，其特征在于，包括质量块(1)，所述质量块(1)为对称结构，质量块(1)的上端设置有第一音叉(2-1)，下端对应设置有第二音叉(2-2)，所述质量块(1)的左右两侧分别设置有两个固定锚点，每个固定锚点上设置有梳齿固定极板，且质量块(1)的左右两侧设置与梳齿固定极板对应的梳齿可动极板，在使用过程中，通过固定锚块向梳齿固定极板上施加偏置电压，使梳齿固定极板与梳齿可动极板之间产生静电力实现加速度作用下的惯性力补偿。

2.根据权利要求1所述的基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计，其特征在于，所述质量块(1)的一侧沿中心对称设置有第五固定锚点(5-1)和第八固定锚点(5-4)，另一侧沿中心对称设置有第六固定锚点(5-2)和第七固定锚点(5-3)；所述第五固定锚点(5-1)，第六固定锚点(5-2)，第七固定锚点(5-3)和第八固定锚点(5-4)上均设置有多个梳齿固定极板，质量块(1)上对应第五固定锚点(5-1)，第六固定锚点(5-2)，第七固定锚点(5-3)和第八固定锚点(5-4)的位置设置有多个梳齿可动极板。

3.根据权利要求2所述的基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计，其特征在于，每个固定锚点处梳齿固定极板的数量与梳齿可动极板的数量相等，且梳齿固定极板和梳齿可动极板通过叉齿组合形成梳齿结构，每个所述梳齿结构包括25个梳齿固定极板及25个梳齿可动极板。

4.根据权利要求2所述的基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计，其特征在于，所述第五固定锚点(5-1)和第六固定锚点(5-2)处的梳齿固定极板设置在对应梳齿可动极板的上方，第七固定锚点(5-3)和第八固定锚点(5-4)处的梳齿固定极板设置在对应梳齿可动极板的下方。

5.根据权利要求1所述的基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计，其特征在于，所述梳齿可动极板与相邻的梳齿固定极板之间的间隙为2μm～5μm，相邻的梳齿固定极板或梳齿可动极板之间的距离为14μm～20μm。

6.根据权利要求1所述的基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计，其特征在于，所述梳齿固定极板与相邻的梳齿可动极板相对正对区域长度120μm～150μm，所述梳齿固定极板与梳齿可动极板的宽度为8μm～10μm，所述梳齿固定极板与梳齿可动极板的长度为160μm～300μm。

7.根据权利要求1所述的基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计，其特征在于，所述质量块(1)左侧部分的上下两侧分别设置有第二固定锚点(4-2)和第三固定锚点(4-3)，所述质量块(1)右侧部分的上下两侧分别设置有第一固定锚点(4-1)和第四固定锚点(4-4)，所述第一固定锚点(4-1)、第二固定锚点(4-2)、第三固定锚点(4-3)和第四固定锚点(4-4)分别通过第一弹性梁(3-1)、第二弹性梁(3-2)、第三弹性梁(3-3)和第四弹性梁(3-4)与质量块(1)连接。

8.根据权利要求1所述的基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计，其特征在于，所述质量块(1)的上侧和下侧分别设置有限位机构，所述限位机构与质量块(1)之间的距离小于梳齿固定极板与梳齿可动极板之间的距离。

9.基于静电平衡的量程自适应闭环反馈控制系统，采用权利要求1-8任一项所述的基于静电平衡的量程自适应谐振式加速度计，其特征在于，包括增压模块、FPGA控制系统及闭环振荡电路，所述质量块(1)的左右两侧的固定锚点分别经增压模块和FPGA控制系统与闭环振荡电路连接，所述闭环振荡电路与第一音叉(2-1)连接，用于使第一音叉(2-1)始终处于共振状态，同时利用FPGA系统进行频率读取，根据频率的变化通过增压模块调节固定锚点处静电力的大小。

10.基于静电平衡的量程自适应闭环反馈控制方法，采用权利要求9所述的基于静电平衡的量程自适应闭环反馈控制系统，其特征在于，首先设定加速度计的工作频移带宽，然后对加速度计施加加速度，读取第一音叉的输出频率，判断该频率是否超出工作频移带宽，如果未超过低频工作频移带宽，则根据频率变化测量得到实际加速度；如果超出工作频移带宽，依据当前频率的变化，计算在梳齿固定极板与梳齿可动极板之间需要的补偿电压进行惯性力补偿，使质量块重新回到初始位置，则此时加速度由频率的变化和补充电压的变化共同求得。

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