CN1746682A - 微机械角加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了微机械角加速度传感器，主要包括一个悬浮质量块，两根连接悬浮质量块与固定端的梁和两块与检测角加速度相关的检测极板，检测极板与固定端固定，质量块与检测极板为电容的两个极；在连接质量块的梁上施加一个旋转的角加速度时，质量块将发生偏转，导致质量块与检测极板之间的距离发生变化，最终导致检测极板与质量块之间的电容值发生变化，通过测试检测极板的电容变化量就可以判定被测角加速度的大小。具有结构简单，抗过载能力强，灵敏度和测量精度高的微机械角加速度传感器。

Description

微机械角加速度传感器

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种用于测量运动体的姿态的角加速度传感器。

背景技术

目前，对于测量运动体的姿态，采用的是传统的速率陀螺仪，速率陀螺仪的工作原理是通过哥氏力来敏感角速率信号。MEMS最广泛的应用就是设计和制造微型传感器。使用传感器的机电部分产生敏感信息，而电子部分则对机电部份产生的信息进行处理。MEMS陀螺就是用于测量角速度的MEMS传感器。

目前，MEMS陀螺的最新技术，如《传感技术(Journal of TransducerTechnology)1998年第17卷第1期》“硅微机械音叉陀螺检测灵敏度与固有频率的关系”一文，以及美国专利号为US6837108B公开的“一种增大动态范围的微电子机械陀螺仪”(INCREASING THE DYNAMIC RANGE OF AMEMS GYROSCOPE)中所述，MEMS陀螺仪的结构是带有梳状电极的两块长方形单晶硅平板(质量块)均由挠性支臂并与单晶硅底座相连，并被支悬于底座上方，在底座上设置有电驱动的梳状电极和电容检测的一对平面电极。

在MEMS陀螺仪中，通过检测哥式力的大小来测量作用在振动质量块上的角速度。当质量块沿x轴(驱动轴)振动时，就可以检测绕z轴输入的角速度的大小。当绕z轴方向有角速度输入时，将会在y轴方向产生哥式加速度，在哥式加速度的作用下会迫使质量块在y方向按照一定的频率振动，该振动的幅值与输入角速度的大小呈一定的比例关系。因此，可以根据振动幅值的大小确定输入角速度的值。

MEMS陀螺在为扩大动态范围大和提高检测灵敏度、测量精度的同时也带来相应的不足与缺点，其梳状结构较为复杂，使得抗过载能力较差，因而影响使用寿命，并且难以适应角加速度变化很大等恶劣环境下测量。

发明内容

本发明不同于以上MEMS陀螺的工作原理。利用角加速度与加速度的工作原理，设计了可以感知角加速度信号的传感器和相关的角加速度信号调制与解调处理检测系统，并具有结构简单，抗过载能力强，灵敏度和测量精度高的微机械角加速度传感器。

本发明提供的微机械角加速度传感器，包括一个悬浮质量块，两根连接质量块与固定端的梁，特点是还包括两块与检测角加速度相关的检测极板；检测极板与固定端固定，质量块与检测极板为电容的两个极；在连接质量块梁上施加一个旋转的角加速度时，质量块将发生偏转，导致质量块与检测极板之间的距离发生变化，最终导致检测极板与质量块之间的电容值发生变化，通过测试检测极板的电容变化量就可以判定被测角加速度的大小。

微机械角加速传感器还有差分解调信号检测系统。微机械角加速度传感器的质量块与两块检测极板构成两个电容C₁、C₂，电容两边加一高频电压V_AC作为调制信号，将低频变化的角加速度机械振动信号通过幅度调制为高频电压信号，并将检测到的高频电压信号分别通过所连接的两个运放电路放大后变为电压信号V₁、V₂，该电压信号V₁、V₂通过连接的差分放大器、全波整流器、低通滤波器后，可将低频角加速度信号从高频载波上解调出来，再由放大器将信号再次放大并输出所检测的角加速度的电压信号。机械角加速度传感器还有自振荡信号检测系统。微机械角加速度传感器的质量块与检测极板组成两个电极；其中一个电极作为检测电极，用来测试由角加速度引起的电容变化信号，将该信号经过所连接电容/电压C/V转换器转换转换为电压信号，再经所连接全波整流器、低通滤波器的整流及滤波后，由放大器将信号再次放大并输出所检测的角加速度的电压信号；另一个电极作为驱动电极，通过作用在该电极上的电压作为静电驱动力，让质量块围绕中间的轴摆动起来，作用在该电极上的电压包括驱动直流电压和驱动交流电压，驱动直流电压由固定的参加电压V_REF提供，驱动交流电压是由C/V转换后连接并经过相移器和限幅电路的相移和限幅后产生的。从检测电极到驱动电极构成了闭环振荡系统，自振荡的频率作为角加速信号的载波频率。

本发明提供的微机械角加速度传感器具有突出的优点和显著的进步是：

1、微机械角加速度传感器与传统的角速率传感器工作原理不同。传统的角速率传感器是通过哥氏力来敏感角速率信号，而微机械角加速度传感器则是敏感角加速度信号，角加速度信号通过积分后可得到角速率信号，解决了传统的角速率传感器易受加速度干扰的难题。

2、微机械角加速度传感器具有较强的抗过载能力，检测灵敏度高和测量精度高。

3、微机械角加速度传感器体积小，结构简单，动态范围大，使用寿命长。特别适合于角加速度变化很大等恶劣环境下的姿态测量。

附图说明

图1为微机械角加速度传感器平板结构的主视图；

图2为微机械角加速度传感器平板结构的侧视图；

图3为微机械角加速度传感器平板结构的俯视图；

图4为当给梁施加一个角加速度时，质量块与检测极板间距变化的结构示意图；

图5为微机械角加速度传感器叉齿结构的主视图；

图6为微机械角加速度传感器叉齿结构的A-A剖视图；

图7为微机械角加速传感器的差分解调信号检测系统原理图；

图8为微机械角加速度传感器的自振荡信号检测系统原理图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1、图2、图3和图4所示，微机械角加速度传感器的基本结构，包括一个悬浮质量块1，两根连接悬浮质量块与固定端的梁2，以及两块与检测角加速度相关的检测极板3，检测极板与固定端4固定，质量块与检测极板为电容的两个电极；在连接质量块的梁上施加一个旋转的角加速度时，质量块将发生偏转，导致质量块与检测极板之间的距离发生变化，最终导致检测极板的电容值发生变化，通过测试检测极板的电容变化量就可以判定被测角加速度的大小。微机械角加速度传感器的工作原理如下：

质量块相对于梁呈均匀对称的，梁具有扭转弹簧特性，当给梁上施加一个角加速度ε，其中 $\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}\·r,$ 质量块由于受到大小相等、方向相反的两个力F₁和F₂，而发生偏转，偏转角度为θ。

$F_1=m\·\mathrm{\ϵ}=m\·\left(\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}\right)\·r$

$F_2=-m\·\mathrm{\ϵ}=m\·\left(\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}\right)\·r$

那么，质量块受到合力的大小为：

$F=F_1-F_2=2m\·\left(\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}\right)\·r$

由于质量块的偏转，引起质量块与检测极板之间的距离发生变化，使得检测电容值发生变化。

在未发生偏转之前，质量块与检测极板之间的电容值为：

$C_1=C_2{=C}_0={\mathrm{\ϵ}}_r{\·\mathrm{\ϵ}}_0\·\frac{A}{d}$

其中，A为质量块的面积；d为质量块与检测极板之间的距离。

当质量块偏转θ角后，质量块与检测极板之间的电容值C₁、C₂一个增大，一个减小。

图5和图6所示，为微机械角加速度传感器的叉齿结构。微机械角加速度传感器的质量块上设有若干个方孔101，对应于质量块上所设的方孔，检测极板上设有若干个叉齿201，叉齿插入质量块上的方孔中间，增加了检测极板与质量块之间的电容值和电容变化量ΔC，提高了传感器的灵敏度。该结构是在平板结构的基础上进行的改进，其工作原理和平板结构角加速度传感器的工作原理相同。

图7所示，为微机械角加速度传感器的信号检测系统。微机械角加速度传感器的质量块与两块检测极板构成两个电容C₁、C₂，电容两边加一高频电压V_AC作为调制信号，将低频变化的角加速度机械振动信号通过幅度调制为高频电压信号，并将检测到的高频电压信号分别通过所连接的两个运放电路放大后变为电压信号V₁、V₂，该电压信号V₁、V₂通过连接的差分放大器、全波整流器、低通滤波器后，可将低频角加速度信号从高频载波上解调出来。

当C₁、C₂检测的信号通过运放后，电压V₁、V₂分别为：

$V_1=V_{\mathrm{AC}}\·\frac{C_1}{C_F}$

$V_2=V_{\mathrm{AC}}\·\frac{C_2}{C_F}$

当V₁、V₂通过差分放大后，可得：

$V=V_{\mathrm{AC}}\·(\frac{C_2}{C_F}-\frac{C_1}{C_F})=V_{\mathrm{AC}}\·\frac{C_2-C_1}{C_F}=V_{\mathrm{AC}}\·\frac{\mathrm{\ΔC}}{C_F}$

再由放大器将信号再次放大并输出所检测的角加速度的电压信号。

其中，以上所述的两个运放电路分别由放大集成电路、电容C和电阻R构成，并分别由直流电源V_T1、V_T2供电，调整V_T1、V_T2电压值，可用于调节输出角加速度的偏置和灵敏度。

图8所示，为微机械角加速度传感器的自振荡信号检测系统。微机械角加速度传感器的质量块与检测极板组成两个电极；其中一个电极作为检测电极，用来测试由角加速度引起的电容变化信号，将该信号经过所连接电容/电压(C/V)转换为电压信号，再经所连接全波整流器、低通滤波器的整流及滤波后，由放大器将信号再次放大并输出所检测的角加速度的电压信号；另一个电极作为驱动电极，通过作用在该电极上的电压作为静电驱动力，让质量块围绕中间的轴摆动起来，作用在该电极上的电压包括驱动直流电压和驱动交流电压，驱动直流电压由固定的参加电压V_REF提供，驱动交流电压是由C/V转换后连接并经过相移器和限幅电路的相移和限幅后产生的。从检测电极到驱动电极构成了闭环振荡系统，自振荡的频率作为角加速信号的载波频率。

其中，以上所述的放大器C/V由放大集成电路、电容C和电阻R构成，并由直流电源V_T3供电，调整V_T3电压值，可用于调节输出角加速度的偏置和灵敏度。

Claims (6)

1、微机械角加速度传感器，包括一个悬浮质量块，两根连接悬浮质量块与固定端的梁，其特征在于：还包括两块与检测角加速度相关的检测极板；检测极板与固定端固定，质量块与检测极板为电容的两个极；在连接质量块的梁上施加一个旋转的角加速度时，质量块将发生偏转，导致质量块与检测极板之间的距离发生变化，最终导致检测极板与质量块的电容值发生变化，通过测试检测极板的电容变化量，来判定被测角加速度的大小。

2、根据权利要求1所述的微机械角加速度传感器，其特征在于：所述的一个质量块上设有若干个方孔，对应于质量块上所设的方孔，检测极板上设有若干个叉齿，叉齿插入质量块上的方孔中间，增加了检测极板与质量块之间的电容值和电容变化量，提高了传感器的灵敏度。

3、根据权利要求1所述的微机械角加速度传感器，其特征在于：它有差分解调信号检测系统；微机械角加速度传感器的质量块与两块检测极板构成两个电容C₁、C₂，电容两边加一高频电压V_AC作为调制信号，将低频变化的角加速度机械振动信号通过幅度调制为高频电压信号，并将检测到的高频电压信号分别通过所连接的两个运放电路放大后变为电压信号V₁、V₂，该电压信号V₁、V₂通过连接的差分放大器、全波整流器、低通滤波器后，可将低频角加速度信号从高频载波上解调出来，再由放大器将信号再次放大并输出所检测的角加速度的电压信号。

4、根据权利要求1所述的微机械角加速度传感器，其特征在于：它有自振荡信号检测系统；微机械角加速度传感器的质量块与检测极板组成两个电极；其中一个电极作为检测电极，用来测试由角加速度引起的电容变化信号，将该信号经过所连接电容/电压C/V转换器转换为电压信号，再经所连接全波整流器、低通滤波器的整流及滤波后，由放大器将信号再次放大并输出所检测的角加速度的电压信号；另一个电极作为驱动电极，通过作用在驱动电极上的电压作为静电驱动力，让质量块围绕中间的轴摆动起来，作用在驱动电极上的电压包括驱动直流电压和驱动交流电压，驱动直流电压由固定的参加电压V_REF提供，驱动交流电压是由C/V转换后连接并经过相移器和限幅电路的相移和限幅后产生的。从检测电极到驱动电极构成了闭环振荡系统，自振荡的频率作为角加速信号的载波频率。

5、根据权利要求3所述的微机械角加速度传感器，其特征在于：所述的两个运放电路分别由放大集成电路、电容C和电阻R构成，并分别由直流电源V_T1、V_T2供电，调整V_T1、V_T2电压值，可用于调节输出角加速度的偏置和灵敏度。

6、根据权利要求4所述的微机械角加速度传感器，其特征在于：所述的放大器C/V由放大集成电路、电容C和电阻R构成，由直流电源V_T3供电，调整V_T3电压值，可用于调节输出角加速度的偏置和灵敏度。

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