一种MEMS加速度计健康状态监测装置及监测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种MEMS加速度计健康状态监测装置及监测方法。装置包括：微振动平台、外围平台、四个水平支撑梁、四个垂直支撑梁；微振动平台为方形，外围平台位于微振动平台的外围；四个水平支撑梁和四个垂直支撑梁位于微振动平台和外围平台之间；每个水平支撑梁的一端连接到对应的垂直支撑梁的一端，并与垂直支撑梁形成直角结构；四个直角结构沿顺时针方向依次均匀分布在微振动平台的四周；每个直角结构的水平支撑梁和垂直支撑梁分别与微振动平台的两个边缘平行；每个直角结构的水平支撑梁一端与外围平台连接，垂直支撑梁一端连接到对应的微振动平台边缘的中部。本发明专利技术的装置及方法可以实现MEMS加速度计在测量较高加速度时的健康状态监测。

MEMS accelerometer health state monitoring device and monitoring method

The invention discloses a MEMS accelerometer health state monitoring device and monitoring method. Device comprises a micro vibration platform, peripheral platform, four horizontal support beams, four vertical support beam; micro vibration platform is square, located in the periphery of the micro vibration platform outside the platform; four horizontal support beam and four vertical support beam is positioned between the micro vibration platform and peripheral platform; each horizontal support beam is connected with one end of the to the end of the vertical support beams corresponding, and forming a right angle structure and vertical support beam; around four rectangular structure along the clockwise direction are evenly distributed in the micro vibration platform; each rectangular structure of horizontal support two edge beam and vertical support beam respectively and the parallel micro vibration platform; each rectangular horizontal support structure the beam end and peripheral platform connection, vertical support beam end is connected to the central edge of the corresponding micro vibration platform. The device and the method of the invention can realize the monitoring of the health status of the MEMS accelerometer when measuring higher acceleration.

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS加速度计健康状态监测装置及监测方法
本专利技术涉及测量
，特别是涉及一种MEMS加速度计健康状态监测装置及监测方法。
技术介绍
惯性导航定位技术由于具有完全自主、不依赖于卫星信号等优点，在导航、制导与控制等领域占有重要的地位。基于微机电系统(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem)的加速度计能提供惯性定位所必需的加速度信息，且具有体积小、重量轻、成本低、易于集成等优点，是微惯性导航定位系统的核心单元。但是目前MEMS加速度计(即基于微机电系统的加速度计)的工作精度正在逐渐接近宏观尺度高精度惯性传感器的水平，但是长期稳定性仍然差了2个数量级以上。当MEMS加速度计已经进行安装之后，由于其长期稳定性较差，加速度计的健康状态无法实时监测，更无法对加速度计的精度进行标定。目前，有两种方法可以提供MEMS加速度计的实时健康状态监测：一是在MEMS加速度计内嵌入真实/虚拟的惯性力激励源，使得敏感结构产生响应以进行标定。第二类方法是在MEMS加速度计外集成微纳驱动结构，提供物理激励，实现自标定。但目前这两种方法都只能实现加速度计在测量较低加速度时的健康状态监测，无法实现加速度计在测量较高加速度时的健康状态监测。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种MEMS加速度计健康状态监测装置及监测方法，可以实现高G值加速度计健康状态监测。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种MEMS加速度计健康状态监测装置，包括：微振动平台、外围平台、四个水平支撑梁、四个垂直支撑梁；所述微振动平台为方形，所述外围平台位于所述微振动平台的外围；四个所述水平支撑梁和四个所述垂直支撑梁位于所述微振动平台和所述外围平台之间；每个所述水平支撑梁的一端连接到对应的所述垂直支撑梁的一端，并与所述垂直支撑梁形成直角结构；四个所述直角结构沿顺时针方向依次均匀分布在所述微振动平台的四周；每个所述直角结构的水平支撑梁和垂直支撑梁分别与所述微振动平台的两个边缘平行；每个所述直角结构的所述水平支撑梁一端与所述外围平台连接，所述垂直支撑梁一端连接到对应的所述微振动平台边缘的中部；所述微振动平台选用的材质为硅。可选的，所述外围平台上设置有四个水平偏置输入电极、四个垂直偏置输入电极、四个接地电极和四个输入输出电极；每个所述水平支撑梁内均设置有水平压电驱动电极，每个所述水平偏置输入电极通过水平信号连接线连接到对应所述水平支撑梁内的所述水平压电驱动电极；每个所述垂直支撑梁内均设置有垂直压电驱动电极，每个所述垂直偏置输入电极通过垂直信号连接线连接到对应的所述垂直支撑梁内的所述垂直压电驱动电极；所述微振动平台的每个角的位置均设置有一个信号接入电极，每个所述输入输出电极通过加速度计信号连接线与对应的所述信号接入电极连接；四个所述接地电极接地。可选的，所述外围平台由6个结构层构成，从上至下依次为偏置线绝缘层、压电层、压电层地电极、硅结构层、氧化硅结构层、振动台衬底；所述水平支撑梁和所述垂直支撑梁均由4个结构层构成，从上至下依次为偏置线绝缘层、压电层、压电层地电极、硅结构层；所述微振动平台包括硅结构层；在构成所述外围平台、所述水平支撑梁、所述垂直支撑梁和所述微振动平台的结构层中，相同的结构层互相连通且位于同一水平面上。可选的，四个所述水平偏置输入电极、四个所述垂直偏置输入电极、四个所述接地电极、四个所述输入输出电极、所述水平信号连接线、所述垂直信号连接线和所述加速度计信号连接线位于所述偏置线绝缘层上方；每个所述接地电极均从所述压电层和所述偏置线绝缘层中穿过并与所述压电层地电极连接；所述水平压电驱动电极和所述垂直压电驱动电极均位于所述偏置绝缘层和所述压电层之间，每个所述水平信号连接线和所述垂直信号连接线均从所述偏置线绝缘层中穿过并分别与所述水平驱动电极和所述垂直驱动电极连接；四个所述信号接入电极均安装于构成所述微振动平台的所述硅结构层上。可选的，测量时，所述MEMS加速度计固定放置于所述微振动平台上，并将所述MEMS加速度计接入四个所述信号接入电极；四个所述水平偏置输入电极和四个所述垂直偏置输入电极均输入设定频率的偏置信号从而驱动所述微振动台产生振动。本专利技术还公开了一种MEMS加速度计健康状态监测方法，应用于一种MEMS加速度计健康状态监测装置；所述监测装置包括：微振动平台、外围平台、四个水平支撑梁、四个垂直支撑梁；所述微振动平台为方形，所述外围平台位于所述微振动平台的外围；四个所述水平支撑梁和四个所述垂直支撑梁位于所述微振动平台和所述外围平台之间；每个所述水平支撑梁的一端连接到对应的所述垂直支撑梁的一端，并与所述垂直支撑梁形成直角结构；四个所述直角结构沿顺时针方向依次均匀分布在所述微振动平台的四周；每个所述直角结构的水平支撑梁和垂直支撑梁分别与所述微振动平台的两个边缘平行；每个所述直角结构的所述水平支撑梁一端与所述外围平台连接，所述垂直支撑梁一端连接到对应的所述微振动平台边缘的中部；所述微振动平台选用的材质为硅；所述外围平台上设置有四个水平偏置输入电极、四个垂直偏置输入电极、四个接地电极和四个输入输出电极；每个所述水平支撑梁内均设置有水平压电驱动电极，每个所述水平偏置输入电极通过水平信号连接线连接到对应所述水平支撑梁内的所述水平压电驱动电极；每个所述垂直支撑梁内均设置有垂直压电驱动电极，每个所述垂直偏置输入电极通过垂直信号连接线连接到对应的所述垂直支撑梁内的所述垂直压电驱动电极；所述微振动平台的每个角的位置均设置有一个信号接入电极，每个所述输入输出电极通过加速度计信号连接线与对应的所述信号接入电极连接；四个所述接地电极接地；所述方法包括：获取所述MEMS加速度计的量程；根据所述MEMS加速度计的量程确定需要监测的加速度点；任意相邻的两个所述加速度点的加速度值相减得到的加速度差值相同；计算各个所述加速度点所对应的所述偏置信号的频率；按照加速度逐渐增大的方向，调整所述偏置信号的频率，使所述微振动平台产生对应所述频率的加速度点，得到实际加速度；获取所述MEMS加速度计测量的所述微振动平台的加速度，得到测量加速度；根据所述实际加速度、所述测量加速度和所述MEMS加速度的频率响应，计算所述MEMS加速度计的测量误差；将所述测量误差与设定阈值进行比较，得到比较结果；根据所述比较结果确定所述MEMS加速度计的健康状态。可选的，所述根据所述比较结果确定所述加速度计的健康状态，具体包括：若所述比较结果表示所述测量误差大于所述设定阈值，表示所述MEMS加速度计的健康状态良好，调整所述偏置信号的频率进行下一个加速度点的健康状态测量；若所述比较结果表示所述测量误差小于或等于所述设定阈值，表示所述MEMS加速度计的健康较差，反馈当前的健康状态。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术的MEMS加速度计健康状态监测装置中，垂直支撑梁一端仅连接到微振动平台边缘的中部，减小了垂直支撑梁结构的长度，从而使水平支撑梁和垂直支撑梁的等效弹性系数增加；微振动平台只由硅材质构成，并且在微振动平台上只放置了四个信号接入电极，使微振动平台的等效质量大幅下降，微振动平台的谐振频率与等效弹性系数呈正相关关系，与等效质量呈负相关关系，因此本专利技术的上述技术方案可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS加速度计健康状态监测装置，其特征在于，包括：微振动平台、外围平台、四个水平支撑梁、四个垂直支撑梁；所述微振动平台为方形，所述外围平台位于所述微振动平台的外围；四个所述水平支撑梁和四个所述垂直支撑梁位于所述微振动平台和所述外围平台之间；每个所述水平支撑梁的一端连接到对应的所述垂直支撑梁的一端，并与所述垂直支撑梁形成直角结构；四个所述直角结构沿顺时针方向依次均匀分布在所述微振动平台的四周；每个所述直角结构的水平支撑梁和垂直支撑梁分别与所述微振动平台的两个边缘平行；每个所述直角结构的所述水平支撑梁一端与所述外围平台连接，所述垂直支撑梁一端连接到对应的所述微振动平台边缘的中部；所述微振动平台选用的材质为硅。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS加速度计健康状态监测装置，其特征在于，包括：微振动平台、外围平台、四个水平支撑梁、四个垂直支撑梁；所述微振动平台为方形，所述外围平台位于所述微振动平台的外围；四个所述水平支撑梁和四个所述垂直支撑梁位于所述微振动平台和所述外围平台之间；每个所述水平支撑梁的一端连接到对应的所述垂直支撑梁的一端，并与所述垂直支撑梁形成直角结构；四个所述直角结构沿顺时针方向依次均匀分布在所述微振动平台的四周；每个所述直角结构的水平支撑梁和垂直支撑梁分别与所述微振动平台的两个边缘平行；每个所述直角结构的所述水平支撑梁一端与所述外围平台连接，所述垂直支撑梁一端连接到对应的所述微振动平台边缘的中部；所述微振动平台选用的材质为硅。2.根据权利要求1所述的一种MEMS加速度计健康状态监测装置，其特征在于，所述外围平台上设置有四个水平偏置输入电极、四个垂直偏置输入电极、四个接地电极和四个输入输出电极；每个所述水平支撑梁内均设置有水平压电驱动电极，每个所述水平偏置输入电极通过水平信号连接线连接到对应所述水平支撑梁内的所述水平压电驱动电极；每个所述垂直支撑梁内均设置有垂直压电驱动电极，每个所述垂直偏置输入电极通过垂直信号连接线连接到对应的所述垂直支撑梁内的所述垂直压电驱动电极；所述微振动平台的每个角的位置均设置有一个信号接入电极，每个所述输入输出电极通过加速度计信号连接线与对应的所述信号接入电极连接；四个所述接地电极接地。3.根据权利要求2所述的一种MEMS加速度计健康状态监测装置，其特征在于，所述外围平台由6个结构层构成，从上至下依次为偏置线绝缘层、压电层、压电层地电极、硅结构层、氧化硅结构层、振动台衬底；所述水平支撑梁和所述垂直支撑梁均由4个结构层构成，从上至下依次为偏置线绝缘层、压电层、压电层地电极、硅结构层；所述微振动平台包括硅结构层；在构成所述外围平台、所述水平支撑梁、所述垂直支撑梁和所述微振动平台的结构层中，相同的结构层互相连通且位于同一水平面上。4.根据权利要求3所述的一种MEMS加速度计健康状态监测装置，其特征在于，四个所述水平偏置输入电极、四个所述垂直偏置输入电极、四个所述接地电极、四个所述输入输出电极、所述水平信号连接线、所述垂直信号连接线和所述加速度计信号连接线位于所述偏置线绝缘层上方；每个所述接地电极均从所述压电层和所述偏置线绝缘层中穿过并与所述压电层地电极连接；所述水平压电驱动电极和所述垂直压电驱动电极均位于所述偏置绝缘层和所述压电层之间，每个所述水平信号连接线和所述垂直信号连接线均从所述偏置线绝缘层中穿过并分别与所述水平驱动电极和所述垂直驱动电极连接；四个所述信号接入电极均安装于构成所述微振动平台的所述硅结构层上。5.根据权利要求4所述的一种MEMS加速度计健康状态监测装置，其特征在于，测量时，所述MEMS加速度计...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜亦佳，代刚，张健，刘利芳，李顺，方雯，任尚清，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51