压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯及加速度计制造技术

本发明专利技术公开一种压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯及加速度计。所述加速度计表芯包括：上极板、中间极板、下极板和振动台，所述中间极板位于所述上极板和所述下极板正中间，所述中间极板通过一根悬梁连接到固定位置，所述上极板与所述中间极板构成第一电容，所述下极板与所述中间极板构成第二电容，所述第一电容与所述第二电容构成一对差分电容；所述振动台包括反馈层和振动层，所述反馈层位于所述下极板下侧，所述振动层位于所述反馈层下侧；所述反馈层表面引出反馈输出正电极和反馈输出负电极，所述振动层表面引出驱动正电极和驱动负电极。采用本发明专利技术的表芯和加速度计能够实现对振动层振动幅度的检测。

Piezoelectric vibration excitation self diagnosis accelerometer and accelerometer for MEMS accelerometer

The invention discloses a piezoelectric vibration exciting self diagnostic MEMS accelerometer core and accelerometer. The accelerometer core comprises an upper plate, an intermediate plate, a lower plate and a shaking table. The middle plate is positioned in the middle of the upper plate and the lower plate. The middle plate is connected to a fixed position through a suspension beam. The upper plate and the middle plate constitute a first capacitance, and the lower plate is said to be in the middle. The first capacitor and the second capacitor constitute a pair of differential capacitors; the shaking table includes a feedback layer and a vibration layer, the feedback layer is located at the lower side of the lower plate, and the vibration layer is located at the lower side of the feedback layer; the surface of the feedback layer elicits a feedback output positive electrode and a feedback output negative. The surface of the vibrating layer is driven to drive positive electrodes and drive negative electrodes. The vibration amplitude of the vibration layer can be detected by adopting the core and accelerometer of the invention.

【技术实现步骤摘要】
压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯及加速度计
本专利技术涉及多层压电陶瓷制备工艺
，特别是涉及一种压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯。
技术介绍
MEMS(MicroElectro-MechanicalSystem)加速度计是微小型惯性导航系统中重要的传感器之一。具有体积小、成本低、重量轻以及功耗低等特点，在现代军事装备短程制导、组合导航、姿态控制、民用汽车及消费类电子市场等方面得到了广泛应用。MEMS加速度计由于受环境温度、气压、机械耦合、残余应力释放、表芯机械/热应力等因素的影响，导致其长期稳定性较差，且安装完成后，无法对加速度计的健康状态进行实时诊断。故MEMS加速度计自检测技术是提高MEMS加速度计长期稳定性的关键技术之一。目前，MEMS加速度计的自诊断检测技术主要分为两类：一是在MEMS加速度计内建自检测电路，外部输入激励信号通过自检测电路使敏感结构产生响应进而完成诊断检测；二是在MEMS加速度计内嵌微结构振动源，受外界激励信号产生振动，实现自诊断检测。苏州物联网研究发展中心于2016年3月21日向国家知识产权局，申请了一件申请号为CN105823907A，名称为“平行板电容型MEMS加速度计内建自测试电路及自测试方法”的专利技术专利，该专利技术属于第一类自诊断检测技术，其提供了一种平行板电容型MEMS加速度计内建自测试电路，以及一种自测试方法，对平行板电容加速度计提供电激励，将电容传感模块输出的信号进行放大，模数转换和数字处理，根据不同条件下的自测试供电电压以及电容传感模块的输出响应分析其灵敏度，从而实现对平行板电容型加速度计的灵敏度进行内建自测试。该专利技术优化了了外部环境和寄生电容对输出信号的影响，提高测试的标准化程度、降低对复杂测试仪器的依赖度，有效降低测试与产品成本。此外，2017年ADI推出了两款专用的工业状态检测用的加速度计ADXL1001及ADXL1002，这两款加速度计具有完整的静电自检测和超量程指标，但其静电自检测技术需要加速度计脱离工作状态，通过在自检测管脚施加激励检测电压，将输出曲线与出厂设置曲线比对，完成自检测。上述现有技术虽然解决了对复杂测试仪器的依赖度的问题，但还存在以下问题：首先，其激励信号作用于梳齿或平行板电容结构，无法检测MEMS加速度计敏感结构的健康状态；其次，其只能对MEMS加速度计的灵敏度进行自测试，无法得到MEMS加速度计敏感结构的特征参数(品质因子及谐振频率)；最后，无法获得MEMS加速度计封装气密性健康状态检测。中国工程物理研究电子工程研究所于2016年12月29日项国家知识产权局，申请了一件申请号为CN106771366A，名称为“一种MEMS加速度计健康状态检测装置及监测方法”的专利技术专利，该专利技术属于第二类自诊断检测技术，其装置包括：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于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段与外围平台连接，垂直支撑梁一端连接到对应的微振动平台边缘的中部。该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。上述现有技术虽然具有对高加速度时健康状态的监测以及高集成度的优点，但还存在一下问题：首先，该健康状态监测装置的微振动平台和外围平台与MEMS加速度计的封装外壳相互独立，加工制造工艺具有较大难度；其次，微振动台材料与封装材料不一致，材料应力影响较大，其机械特性产生变化，导致激励输出可能产生漂移；最后，微振动台结构本身为可动件，会与MEMS加速度计敏感结构发生运动耦合，从而降低环境适应性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯及加速度计，解决了微振动台与敏感结构间的运动耦合，加工难度大、环境适应性差、可靠性差等问题，实现了MEMS加速度计的小型化高集成度、宽频带、多参数、高速实时健康状态自诊断检测。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯，所述加速度计表芯包括：上极板、中间极板、下极板和振动台，所述中间极板位于所述上极板和所述下极板正中间，所述中间极板通过一根悬梁连接到固定位置，所述上极板与所述中间极板构成第一电容，所述下极板与所述中间极板构成第二电容，所述第一电容与所述第二电容构成一对差分电容；所述振动台包括反馈层和振动层，所述反馈层位于所述下极板下侧，所述振动层位于所述反馈层下侧；所述反馈层表面引出反馈输出正电极和反馈输出负电极，所述振动层表面引出驱动正电极和驱动负电极。可选的，所述反馈层和所述振动层均采用低温共烧陶瓷工艺制备。可选的，所述上极板、所述中间极板和所述下极板的长度相等。可选的，所述上极板、所述中间极板和所述下极板平行设置。可选的，所述上极板和所述中间极板正对设置，所述下极板和所述中间极板正对设置，所述上极板和所述下极板正对设置。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种应用于压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯的加速度计，所述加速度计包括：表芯、电荷放大器电路、电荷运输电路、电荷积分器电路和振动台闭环驱动电路，所述表芯中间极板的输出端与所述电荷放大器电路的输入端连接，所述电荷放大器电路的输出端与所述电荷运输电路的输入端连接，所述电荷运输电路的输出端与所述电荷积分器电路的输入端连接，所述表芯、所述电荷放大器电路、所述电荷运输电路和所述电荷积分器电路构成负反馈回路；所述表芯的振动台部分与所述振动台闭环驱动电路连接。可选的，所述电荷放大器电路包括：时钟引脚、第一电荷放大器和第三电容，所述时钟包括第一时钟引脚和第二时钟引脚，所述第一电荷放大器的正极与所述第二时钟引脚连接，所述第一电荷放大器的负极与所述第一时钟引脚连接，所述电容与所述第一电荷放大器并联连接，所述第一时钟引脚与所述第一电荷放大器的输出端连接。可选的，所述电荷运输电路包括：第四电容和时钟，所述时钟包括第一时钟引脚和第二时钟引脚，所述第四电容的输入端与输出端分别与所述第一时钟引脚和所述第二时钟引脚连接。可选的，所述电荷积分器电路包括：第一电荷积分器和第五电容，所述第一时钟引脚与所述第一电荷积分器的负极连接，所述第一电荷积分器的正极接地，所述第一电荷积分器与所述第五电容并联连接。可选的，所述振动台闭环驱动电路包括：第二增益放大器、减法器、乘法器、第二电荷积分器、可变增益放大器和压控振荡器；外部参考电路的输入端分别与所述减法器的输入端和所述压控振荡器输入端连接，所述压控振荡器的输出端与所述乘法器的输入端连接，所述减法器的输出端分别与所述第二电荷积分放大器的输出端连接，所述第二电荷积分放大器的正极接地，所述第二电荷积分放大器的负极与所述振动层连接，所述第二增益放大器的输出端与所述振动层连接，所述第二增益放大器的正极与所述乘法器连接，所述第二增益放大器的负极接地。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：本专利技术提供一种压电振动激励自诊断本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯，其特征在于，所述加速度计表芯包括：上极板、中间极板、下极板和振动台，所述中间极板位于所述上极板和所述下极板正中间，所述中间极板通过一根悬梁连接到固定位置，所述上极板与所述中间极板构成第一电容，所述下极板与所述中间极板构成第二电容，所述第一电容与所述第二电容构成一对差分电容；所述振动台包括反馈层和振动层，所述反馈层位于所述下极板下侧，所述振动层位于所述反馈层下侧；所述反馈层表面引出反馈输出正电极和反馈输出负电极，所述振动层表面引出驱动正电极和驱动负电极。

【技术特征摘要】
1.一种压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯，其特征在于，所述加速度计表芯包括：上极板、中间极板、下极板和振动台，所述中间极板位于所述上极板和所述下极板正中间，所述中间极板通过一根悬梁连接到固定位置，所述上极板与所述中间极板构成第一电容，所述下极板与所述中间极板构成第二电容，所述第一电容与所述第二电容构成一对差分电容；所述振动台包括反馈层和振动层，所述反馈层位于所述下极板下侧，所述振动层位于所述反馈层下侧；所述反馈层表面引出反馈输出正电极和反馈输出负电极，所述振动层表面引出驱动正电极和驱动负电极。2.根据权利要求1所述的压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯，其特征在于，所述反馈层和所述振动层均采用低温共烧陶瓷工艺制备。3.根据权利要求1所述的压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯，其特征在于，所述上极板、所述中间极板和所述下极板的长度相等。4.根据权利要求1所述的压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯，其特征在于，所述上极板、所述中间极板和所述下极板平行设置。5.根据权利要求1所述的压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯，其特征在于，所述上极板和所述中间极板正对设置，所述下极板和所述中间极板正对设置，所述上极板和所述下极板正对设置。6.一种应用于权利要求1-5任意一项所述的压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯的加速度计，其特征在于，所述加速度计包括：表芯、电荷放大器电路、电荷运输电路、电荷积分器电路和振动台闭环驱动电路，所述表芯中间极板的输出端与所述电荷放大器电路的输入端连接，所述电荷放大器电路的输出端与所述电荷运输电路的输入端连接，所述电荷运输电路的输出端与所述电荷积分器电路的输入端连接，所述表芯、所述电荷放大器电路、所述电荷运输电...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘显学，赵宝林，顾昊宇，周浩，唐彬，杨杰，谢国芬，
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