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方案

本发明专利技术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。速度计在高精尖领域的更好应用。速度计在高精尖领域的更好应用。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于微机电系统(MEMS)传感器
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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，本专利技术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。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0017]本专利技术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。
[0018]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。
[0019]本专利技术基于静电平衡机理，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。
[0020]本专利技术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。
[0021]综合来说，本专利技术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
[0022]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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。
[0023]图1为本专利技术基于静电平衡的量程自适应谐振加速度计的结构示意图；
[0024]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；
[0025]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；
[0026]图4为基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦学勇，张益秋，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：