CN116223844A - 一种静电力平衡式mems加速度计及其闭环控制方法 - Google Patents

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CN116223844A CN202310085393.XA CN202310085393A CN116223844A CN 116223844 A CN116223844 A CN 116223844A CN 202310085393 A CN202310085393 A CN 202310085393A CN 116223844 A CN116223844 A CN 116223844A
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Abstract

本发明提供了一种静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法，属于仪器仪表领域，方法为：将加速度信号转换为位移信号；平行板电容动极板移动，与对应的两个平行板电容定极板形成差分电容；在平行板电容动极板上施加偏置电压，将差分电容转换为电压信号；采用载波对差分电容调制，与电压信号相乘后顺次经过低通滤波和PID控制形成反馈控制信号；将反馈控制信号与载波信号相加获取定极板施加信号；作用在平行板电容定极板的定极板施加信号，与施加在平行板电容动极板上的偏置电压共同得到静电反馈力，使平行板电容动极板的位置恢复至初始位置。本发明对比现有力平衡式闭环方案在成本、加工难度和可靠性上具有显著优势。

Description

一种静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法
技术领域
本发明属于仪器仪表领域，更具体地，涉及一种静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法。
背景技术
MEMS加速度计由于低功耗、小尺寸、成本低的优势目前被广泛应用于消费电子、惯性导航和自动驾驶领域等。随着分辨率的提高，加速度计也逐渐应用在地震监测、重力测量、潮汐监测等领域。
加速度计通过检验质量将加速度变化转换为位移变化，再将位移变化通过不同的传感方式转换为电信号输出。对于高性能的电容式加速度计通常选用本征频率较低的结构以降低电容检测电路的噪声。加速度计的机械刚度越低、检测质量越大其本征频率越低，为此许多加速计设计制作准零刚度结构，而这种结构受力复杂，位于极低刚度的位移区间较小。开环系统下检测质量偏离平衡位置之后其刚度随即发生变化，输出因此出现非线性，线性量程较小。同时开环下的低本征频率限制了检测的带宽，为了满足扩大量程、拓展带宽、提高线性度的需求，力平衡式的闭环系统成为加速度计的必然选择。
现有的力平衡式闭环加速度计主要有两种。第一种是基于洛伦兹力的力平衡式闭环MEMS加速度计。其执行机反馈力由磁场中的通电线圈提供，通电线圈加工在检测质量上，磁场由外加的永磁体提供。但永磁体体积较大与MEMS体积小的技术优势相冲突，相互之间难以集成，且永磁体提供的磁场强度易受到温度影响，从而影响闭环加速度计的标度因子线性度。线圈具有一定阻值，在动态工作时会因电流通过而发热，进一步影响其性能。第二种是基于变间距梳齿电容的静电力平衡闭环MEMS加速度计。其主要结构为基于SOI技术设计的两组梳齿电容，一组变面积电容作为传感器、一组变间距电容作为执行机。两组梳齿电容增加了加工工艺难度。此外，基于SOI技术下的器件层较薄减小了梳齿电容极板厚度和弹簧振子结构的质量，使得加速度计噪声较大。基于变间距梳齿电容提供静电力的方式需要考虑拉入效应，恶劣动态环境下的应用范围与场景受到限制。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法，旨在解决现有的基于力平衡式闭环控制的加速度计易受温度影响、精度低、集成度低和成本高的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种静电力平衡式MEMS加速度计，包括：电容检测电路、偏置电压电源、载波发生器、反馈控制电路和MEMS系统；
电容检测电路和偏置电压电源的输入端连接MEMS系统的输出端，电容检测电路的输出端连接反馈控制电路的输入端；反馈控制电路的输出端接入MEMS系统；所述载波发生器与反馈控制电路相连；
MEMS系统包括玻璃上盖、弹簧振子、若干组平行板电容定极板和若干平行板电容动极板；玻璃上盖靠近弹簧振子侧设置有平行板电容定极板；弹簧振子靠近玻璃上盖的一侧设置有平行板电容动极板；每两个平行板电容定极板作为一组，对应一个平行板电容动极板；平行板电容定极板与平行板电容动极板平行放置，且平行板电容动极板初始放置于两个平行板电容定极板的中间；平行板电容动极板的输出端连接偏置电压电源和电容检测电路；
弹簧振子用于将外界的加速度信号转换为位移信号；平行板电容动极板用于在弹簧振子的移动下移动，与对应的两个平行板电容定极板对应的面积一个增大一个减小，形成差分电容结构；平行板电容定极板用于在定极板施加信号的作用下，与施加在平行板电容动极板上的偏置电压共同作用得到静电反馈力；所述静电反馈力用于使平行板电容动极板的位置恢复至两个平行板电容定极板的中间；
电容检测电路用于将调制电流转换为调制电压信号；
偏置电压电源用于在平行板电容动极板上施加偏置电压；
载波发生器用于产生载波对差分电容进行调制，输出调制电流信号；反馈控制电路用于将调制电压信号与载波相乘解调后经过低通滤波，PID控制产生反馈控制信号，反馈控制信号与载波信号相加，获取定极板施加信号。
进一步优选地，反馈控制电路包括乘法器、载波发生器、PID(proportionintegral derivative)控制器、LPF(Low Pass Filter)、增益放大器和加法器；
增益放大器包括第一增益放大器、第二增益放大器、第三增益放大器和第四增益放大器；加法器包括第一加法器和第二加法器；
乘法器的输入端连接电容检测电路的输出端和载波发生器的第一输出端，其输出端连接LPF的输入端；LPF的输出端连接PID控制器；PID控制器的输出端连接第三增益放大器和第四增益放大器；载波发生器的第二输出端连接第一增益放大器和第二增益放大器；第一增益放大器和第三增益放大器的输出端连接第一加法器；第二增益放大器和第四增益放大器的输出端连接第二加法器；第一加法器和第二加法器分别连接一组平行板电容定极板中的两个平行板电容定极板；
乘法器用于将电容检测电路输出的电压调制信号与载波相乘解调；LPF用于对解调后的信号进行低通滤波；PID控制器用于对低通滤波后的信号进行PID控制产生反馈控制信号；增益放大器包括第一增益放大器、第二增益放大器、第三增益放大器和第四增益放大器；第一增益放大器用于对载波信号同向放大，第二增益放大器用于对载波信号反向放大；第三增益放大器用于对反馈控制信号同向放大；第四增益放大器用于对反馈控制信号反向放大；加法器包括第一加法器和第二加法器；第一加法器用于将同向放大的载波信号与同向放大的反馈控制信号相加，获取第一定极板施加信号；第二加法器用于将反向放大的载波信号与反向放大的反馈控制信号相加，获取第二平定极板施加信号。
进一步优选地，变面积平行板电容的制备方法为：
在玻璃上盖上进行光刻后蒸镀获取平行板电容定极板；在硅片上进行光刻后蒸镀获取平行板电容动极板；通过深硅刻蚀得到自由振动的弹簧振子结构；将玻璃上盖与弹簧振子键合，平行板电容定极板和平行板电容动极板组合得到变面积平行板电容。
进一步优选地，差分电容为：
Figure BDA0004068720140000041
其中，ΔC为差分电容；Δx为敏感方向的位移；n为平行板电容定极板对数；平行板电容动极板和平行板电容定极板的长度相等；l为极板长度；d为平行板电容定极板与平行板电容动极板间距。
进一步优选地，静电反馈力为：
Figure BDA0004068720140000042
其中，Vb为偏置电压；Vf为反馈控制信号。
另一方面，本发明提供了一种静电力平衡式MEMS加速度计的闭环控制方法，包括以下步骤：
采用弹簧振子将外界的加速度信号转换为位移信号；
平行板电容动极板在弹簧振子的带动下移动，与对应的两个平行板电容定极板对应的面积一个增大一个减小，形成差分电容结构；
在平行板电容定极板上施加载波，并将差分电容转换为调制电流信号；
采用电容检测电路将调制电流信号转换为调制电压信号，与载波相乘解调后进行低通滤波；
将低通滤波后的信号进行PID控制形成反馈控制信号；
将反馈控制信号与载波信号相加，获取定极板施加信号；
在施加在平行板电容定极板的定极板施加信号，与施加在平行板电容动极板上的偏置电压的共同作用下得到静电反馈力；
将静电反馈力施加在平行板电容动极板，使平行板电容动极板的位置恢复至两个平行板电容定极板中间。
进一步优选地，变面积平行板电容的制备方法为：
在玻璃上盖上进行光刻后蒸镀获取平行板电容定极板；在硅片上进行光刻后蒸镀获取平行板电容动极板；通过深硅刻蚀得到自由振动的弹簧振子结构；将玻璃上盖与弹簧振子键合，平行板电容定极板和平行板电容动极板组合得到变面积平行板电容。
进一步优选地，差分电容为：
Figure BDA0004068720140000051
其中，ΔC为差分电容；Δx为敏感方向的位移；n为平行板电容定极板对数；平行板电容动极板和平行板电容定极板的长度相等，l为极板长度；d为平行板电容定极板与平行板电容动极板间距。
进一步优选地，静电反馈力为：
Figure BDA0004068720140000052
其中，Vb为偏置电压；Vf为反馈控制信号。
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：
本发明提供了一种静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法，其中，每两个平行板电容定极板作为一组，对应一个平行板电容动极板；平行板电容定极板与平行板电容动极板平行放置，且平行板电容动极板初始放置于两个平行板电容定极板的中间；当外界存在加速度信号，平行板电容动极板和平行板电容定极板将形成差分变面积的电容，将变面积的平行板电容作为执行机，相比于变间距平行板梳齿电容线性移动范围大，对于电容极板间距的要求更为宽松，因此出现静电吸合的概率大大减小，对比现有力平衡式闭环方案在成本、加工难度和可靠性上具有显著优势。
本发明提供的静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法，其中，变面积平行板电容既可以作为传感器也可以作为执行机，复用的方式避免了单独设计静电梳齿电容执行机或电磁反馈线圈所占用的器件尺寸，可以布置更多平行板电容对数，提高检测灵敏度，降低设计的复杂性，提高产品的良率。
本发明提供的静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法，其中，采用变面积平行板电容作为执行机，为弹簧振子结构的加工尺寸提供了更大空间，相较于SOI技术可以设计更厚、面积更大的弹簧振子结构，降低器件的机械热噪声、提高器件性能。
本发明提供的静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法，其中，静电力平衡式MEMS加速度计将弹簧振子结构控制在平衡位置处，其闭环标度因数由施加在动极板上的偏置电压决定。工作过程中标度因数受温度波动影响较小，与电磁力平衡闭环相比产热较小，工作状态下易于温控系统集成。标度因数可以通过调整偏置电压修改。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于变面积平行板电容的静电力平衡式MEMS加速度计示意图；
图2是本发明实施例提供的变面积平行板电容局部示意图；
图3是本发明实施例提供的MEMS加速度计结构示意图；
标记说明：
1-玻璃上盖；2-弹簧振子结构；3-平行板电容定极板A组；4-平行板电容定极板B组；5-平行板电容动极板。
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。
分别在硅片和玻璃上盖进行光刻后蒸镀得到平行板电容极板，获取平行板电容动极板和平行板电容定极板；通过深硅刻蚀(DRIE)得到可以自由振动的弹簧振子结构，将玻璃上盖与弹簧振子结构键合，分别位于其上的平行板电容极板组合得到变面积平行板电容；如图1所示，基于变面积平行板电容的静电力平衡式MEMS加速度计包括电容检测电路、偏置电压电源、载波发生器、反馈控制电路和MEMS系统两部分；MEMS芯片包括玻璃上盖1、弹簧振子2、平行板电容定极板A组3、平行板电容定极板B组4和平行板电容动极板5；由平行板电容定极板A组3、平行板电容定极板B组4和平行板电容动极板5组成变面积平行板电容即作为传感器也作为执行机，其在弹簧振子2上的放置位置如图3所示，通过引线键合的方式与电容检测电路连接；
MEMS加速度计利用电容变化检测加速度大小，当外界有加速度信号输入时，弹簧振子结构2将加速度信号转变为位移信号，如图2所示，沿X方向平行板电容动极板5会从中间位置产生Δx的位移，上下电容极板所对应的面积一个增大一个减小，形成差分电容结构；其差分电容输出与位移的关系式为：
Figure BDA0004068720140000071
其中，ε为电容介质的介电常数；Δx为敏感方向的位移；n为平行板电容对数；l为极板长度；d为定极板与动极板间距；
载波Vc将电容变化进行调制，经过C/V电容检测电路转换成调制电压信号，经乘法器解调后经过LPF低通滤波器滤波，通过PID环节得到反馈控制信号Vf，反馈控制信号与载波信号相加(Vc+Vf、-Vc-Vf)施加到平行板电容定极板A组3和平行板电容定极板B组4上，其与施加在平行板电容定极板5上的偏置电压Vb共同作用得到静电反馈力：
Figure BDA0004068720140000072
静电反馈力与惯性力形成静电力平衡使质量块始终处于几何中心位置；当系统进入深度负反馈时系统的反馈控制信号Vf作为输出，其标度因数为：
Figure BDA0004068720140000073
其中，m为弹簧振子结构的质量，当偏置电压Vb改变时标度因数也会随之变化，偏置电压Vb增大，标度因数减少随之量程增大。
另一方面，本发明提供了一种静电力平衡式MEMS加速度计的闭环控制方法，包括以下步骤：
采用弹簧振子将外界的加速度信号转换为位移信号；
平行板电容动极板在弹簧振子的带动下移动，与对应的两个平行板电容定极板对应的面积一个增大一个减小，形成差分电容结构；
在平行板电容定极板上施加载波，并将差分电容转换为调制电流信号；
采用电容检测电路将调制电流信号转换为调制电压信号，与载波相乘解调后进行低通滤波；
将低通滤波后的信号进行PID控制形成反馈控制信号；
将反馈控制信号与载波信号相加，获取定极板施加信号；
平行板电容定极板在定极板施加信号作用下，与施加在平行板电容动极板上的偏置电压共同作用得到静电反馈力；
平行板电容动极板在静电反馈力的作用下位置恢复至两个平行板电容定极板中间。
进一步优选地，在玻璃上盖上进行光刻后蒸镀获取平行板电容定极板；在硅片上进行光刻后蒸镀获取平行板电容动极板；通过深硅刻蚀得到自由振动的弹簧振子结构；将玻璃上盖与弹簧振子键合，平行板电容定极板和平行板电容动极板组合得到变面积平行板电容。
进一步优选地，差分电容为：
Figure BDA0004068720140000081
其中，ΔC为差分电容；Δx为敏感方向的位移；n为平行板电容定极板对数；平行板电容动极板和平行板电容定极板的长度相等，l为极板长度；d为平行板电容定极板与平行板电容动极板间距。
进一步优选地，静电反馈力为：
Figure BDA0004068720140000091
其中，Vb为偏置电压；Vf为反馈控制信号。
综上所述，本发明与现有技术相比，存在以下优势：
本发明提供了一种静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法，其中，每两个平行板电容定极板作为一组，对应一个平行板电容动极板；平行板电容定极板与平行板电容动极板平行放置，且平行板电容动极板初始放置于两个平行板电容定极板的中间；当外界存在加速度信号，平行板电容动极板和平行板电容定极板将形成差分变面积的电容，将变面积的平行板电容作为执行机，相比于变间距平行板梳齿电容线性移动范围大，对于电容极板间距的要求更为宽松，因此出现静电吸合的概率大大减小，对比现有力平衡式闭环方案在成本、加工难度和可靠性上具有显著优势。
本发明提供的静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法，其中，变面积平行板电容既可以作为传感器也可以作为执行机，复用的方式避免了单独设计静电梳齿电容执行机或电磁反馈线圈所占用的器件尺寸，可以布置更多平行板电容对数，提高检测灵敏度，降低设计的复杂性，提高产品的良率。
本发明提供的静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法，其中，采用变面积平行板电容作为执行机，为弹簧振子结构的加工尺寸提供了更大空间，相较于SOI技术可以设计更厚、面积更大的弹簧振子结构，降低器件的机械热噪声、提高器件性能。
本发明提供的静电力平衡式MEMS加速度计及其闭环控制方法，其中，静电力平衡式MEMS加速度计将弹簧振子结构控制在平衡位置处，其闭环标度因数由施加在动极板上的偏置电压决定。工作过程中标度因数受温度波动影响较小，与电磁力平衡闭环相比产热较小，工作状态下易于温控系统集成。标度因数可以通过调整偏置电压修改。
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 (9)

1.一种静电力平衡式MEMS加速度计，其特征在于，包括：电容检测电路、偏置电压电源、载波发生器、反馈控制电路和MEMS系统；
所述电容检测电路和所述偏置电压电源的输入端连接MEMS系统的输出端；所述电容检测电路的输出端连接所述反馈控制电路的输入端；所述反馈控制电路的输出端接入MEMS系统；所述载波发生器与反馈控制电路相连；
所述MEMS系统包括玻璃上盖、弹簧振子、若干组平行板电容定极板和若干平行板电容动极板；所述玻璃上盖靠近所述弹簧振子侧设置有平行板电容定极板；所述弹簧振子靠近所述玻璃上盖的一侧设置有平行板电容动极板；每两个平行板电容定极板作为一组，对应一个平行板电容动极板；所述平行板电容定极板与所述平行板电容动极板平行放置，且所述平行板电容动极板初始放置于两个平行板电容定极板的中间；所述平行板电容动极板的输出端连接所述偏置电压电源和所述电容检测电路；
所述弹簧振子用于将外界的加速度信号转换为位移信号；所述平行板电容动极板用于在弹簧振子的移动下移动，与对应的两个所述平行板电容定极板的面积一个增大一个减小，形成差分电容结构；所述平行板电容定极板用于在定极板施加信号的作用下，与施加在平行板电容动极板上的偏置电压共同作用得到静电反馈力；所述静电反馈力用于使平行板电容动极板的位置恢复至两个平行板电容定极板的中间；
所述电容检测电路用于将调制电流信号转换为调制电压信号；所述偏置电压电源用于在平行板电容动极板上施加偏置电压；载波发生器用于产生载波对差分电容进行调制，输出调制电流信号；反馈控制电路用于将调制电压信号与载波相乘解调后经过低通滤波，PID控制产生反馈控制信号，反馈控制信号与载波信号相加，获取定极板施加信号。
2.根据权利要求1所述的静电力平衡式MEMS加速度计，其特征在于，所述反馈控制电路包括乘法器、PID控制器、LPF、增益放大器和加法器；
所述增益放大器包括第一增益放大器、第二增益放大器、第三增益放大器和第四增益放大器；加法器包括第一加法器和第二加法器；
所述乘法器的输入端连接电容检测电路的输出端和载波发生器的第一输出端，其输出端连接LPF的输入端；所述LPF的输出端连接PID控制器；所述PID控制器的输出端连接第三增益放大器和第四增益放大器；所述载波发生器的第二输出端连接第一增益放大器和第二增益放大器；所述第一增益放大器和第三增益放大器的输出端连接第一加法器；所述第二增益放大器和第四增益放大器的输出端连接第二加法器；所述第一加法器和第二加法器分别连接一组平行板电容定极板中的两个平行板电容定极板；
所述乘法器用于将电容检测电路输出的电压调制信号与载波相乘解调；LPF用于对解调后的信号进行低通滤波；PID控制器用于对低通滤波后的信号进行PID控制产生反馈控制信号；所述增益放大器包括第一增益放大器、第二增益放大器、第三增益放大器和第四增益放大器；所述第一增益放大器用于对载波信号同向放大；所述第二增益放大器用于对载波信号反向放大；所述第三增益放大器用于对反馈控制信号同向放大；所述第四增益放大器用于对反馈控制信号反向放大；加法器包括第一加法器和第二加法器；第一加法器用于将同向放大的载波信号与同向放大的反馈控制信号相加，获取第一定极板施加信号；第二加法器用于将反向放大的载波信号与反向放大的反馈控制信号相加，获取第二定极板施加信号。
3.根据权利要求1或2所述的静电力平衡式MEMS加速度计，其特征在于，变面积平行板电容的制备方法为：
在玻璃上盖上进行光刻后蒸镀获取平行板电容定极板；在硅片上进行光刻后蒸镀获取平行板电容动极板；通过深硅刻蚀得到自由振动的弹簧振子结构；将玻璃上盖与弹簧振子键合，平行板电容定极板和平行板电容动极板组合得到变面积平行板电容。
4.根据权利要求3所述的静电力平衡式MEMS加速度计，其特征在于，差分电容为：
Figure FDA0004068720010000031
其中，ΔC为差分电容；Δx为敏感方向的位移；n为平行板电容定极板对数；平行板电容动极板和平行板电容定极板的长度相等，l为极板长度；d为平行板电容定极板与平行板电容动极板间距。
5.根据权利要求4所述的静电力平衡式MEMS加速度计，其特征在于，所述静电反馈力为：
Figure FDA0004068720010000032
其中，Vb为偏置电压；Vf为反馈控制信号。
6.一种基于权利要求1或2所述的静电力平衡式MEMS加速度计的闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用弹簧振子将外界的加速度信号转换为位移信号；
平行板电容动极板在弹簧振子的带动下移动，与对应的两个平行板电容定极板对应的面积一个增大一个减小，形成差分电容结构；
在平行板电容定极板上施加载波，并将差分电容转换为调制电流信号；
采用电容检测电路将调制电流信号转换为调制电压信号，与载波相乘解调后进行低通滤波；
将低通滤波后的信号进行PID控制形成反馈控制信号；
将反馈控制信号与载波信号相加，获取定极板施加信号；
在施加在平行板电容定极板的定极板施加信号，与施加在平行板电容动极板上的偏置电压的共同作用下得到静电反馈力；
将静电反馈力施加在平行板电容动极板，使平行板电容动极板的位置恢复至两个平行板电容定极板中间。
7.根据权利要求6所述的闭环控制方法，其特征在于，变面积平行板电容的制备方法为：
在玻璃上盖上进行光刻后蒸镀获取平行板电容定极板；在硅片上进行光刻后蒸镀获取平行板电容动极板；通过深硅刻蚀得到自由振动的弹簧振子结构；将玻璃上盖与弹簧振子键合，平行板电容定极板和平行板电容动极板组合得到变面积平行板电容。
8.根据权利要求6或7所述的闭环控制方法，其特征在于，所述差分电容为：
Figure FDA0004068720010000041
其中，ΔC为差分电容；Δx为敏感方向的位移；n为平行板电容定极板对数；平行板电容动极板和平行板电容定极板的长度相等，l为极板长度；d为平行板电容定极板与平行板电容动极板间距。
9.根据权利要求8所述的闭环控制方法，其特征在于，所述静电反馈力为：
Figure FDA0004068720010000042
其中，Vb为偏置电压；Vf为反馈控制信号。
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